Отливка металла: Различные виды литья металлов преимущества и недостатки [Часть 2]

Содержание

Различные виды литья металлов преимущества и недостатки [Часть 2]

Литье металла — это процесс, имеющий древние корни, на протяжении всей истории металлическое литье использовалось для изготовления инструментов, оружия, скульптур и религиозных предметов. Для литья металлов пускают в ход разные емкости, которые разделяют на песочные, применяемые только один раз во время оливки, а также многократные. В современном литейном производстве кроме традиционной технологии заливки жидкого металла в песчаные формы применяют и другие высокотехнологичные, производительные способы литья, давайте рассмотрим некоторые из них.

Примечание: первую часть данной статьи вы можете найти в нашем блоге.

6) Гравитационное литье

Это метод литья, при котором жидкий металл под действием силы тяжести заливается в металлическую форму, охлаждается и застывает в форме для получения отливки.

Технологический процесс:

Преимущества:

  1. Металлическая форма обладает большой теплопроводностью и теплоемкостью, быстрой скоростью охлаждения, плотной структурой отливки, а механические свойства примерно на 15% выше, чем у песчаного литья.
  2. Она позволяет получать отливки с более высокой точностью размеров и более низкой шероховатостью поверхности, и имеет хорошую стабильность качества.

Недостатки:

  1. Сама металлическая форма не является воздухопроницаемой, необходимо принять определенные меры для удаления воздуха и пор, образующегося в полости песчаного ядра.
  2. Металлическая форма не имеет уступов, и трещины легко возникают, когда отливка затвердевает.
  3. Металлические формы имеют более длительный производственный цикл и более высокую стоимость. Поэтому хороший экономический эффект может быть достигнут только при массовом производстве.

Область применения: подходит для крупномасштабного производства отливок из цветных сплавов, таких как алюминиевые и магниевые сплавы сложной формы, а также чугунные и стальные металлических отливок и слитков.

7) Вакуумное литье под давлением

Вакуумное литье под давлением это усовершенствованный процесс литья под давлением, который улучшает механические свойства и качество поверхности литых деталей путем удаления или значительного уменьшения пор и растворенных газов в литой детали за счет извлечения газа в полости литейной формы во время процесса литья.

Технологический процесс:

Преимущества:

  1. Данный метод позволяет устранить или уменьшить воздушные отверстия внутри литейной формы, улучшить механические свойства и качество поверхности литейной формы, а также характеристики покрытия.
  2. Для снижения обратного давления полости можно использовать более низкое удельное давление и сплав с плохими характеристиками литья. Можно отливать под давлением более крупные отливки с помощью небольших станков.
  3. Это улучшает условия заполнения, позволяет отливать более тонкие отливки.

Недостатки:

  1. Структура уплотнения формы сложная, изготовление и установка затруднены, в связи с чем стоимость высокая.
  2. Если метод вакуумного литья под давлением не контролируется должным образом, эффект будет не очень значительным.

8) Литье выдавливанием

Это метод затвердевания жидкого или полутвердого металла под высоким давлением и текучей формовки для непосредственного получения изделия или заготовки. Его преимуществами являются высокий коэффициент использования жидкого металла, простота процесса и стабильное качество. Это энергосберегающая технология формовки металла с потенциальными перспективами применения.

Технологический процесс:

Литье под прямым давлением

: Распыление краски, литье сплава, зажим формы, повышение давления, поддержание давления, сброс давления, разделение формы, извлечение заготовки из формы и возврат в исходное положение.

Литье под давлением с косвенным выдавливанием: нанесение покрытия распылением, зажим формы, подача, заполнение, повышение давления, поддержание давления, сброс давления, разделение, извлечение заготовки из формы, возврат в исходное положение.

Технические характеристики:

  1. Данный метод может устранить внутренние поры, усадку и другие дефекты.
  2. Низкая шероховатость поверхности и высокая точность размеров.
  3. Это может предотвратить возникновение трещин отливки.
  4. Легко реализовать механизацию и автоматизацию.

Область применения: Его можно использовать для производства различных типов сплавов, таких как алюминиевый сплав, цинковый сплав, медный сплав, чугун с шаровидным графитом и т. Д.

9) Литьё по газифицируемым моделям

Что такое литьё по газифицируемым моделям?

Это новый метод литья, при котором используется модель, изготовленная из материала, который газифицируется при заливке расплавленного металла в литейную форму. Самым распространённым материалом для моделей является пенополистирол. После очистки и сушки огнеупорного покрытия, его закапывают в сухой кварцевый песок для вибрирования. Заливка производится под отрицательным давлением для испарения модели, жидкий металл занимает место модели и формируется после затвердевания и охлаждения.

Технологический процесс:

Технические характеристики:

  1. Высокоточное литье, без песчаной сердцевины, сокращающее время обработки.
  2. Отсутствие разделительной поверхности, гибкая конструкция и высокая степень свободы.
  3. Чистое производство без загрязнения.
  4. Сокращение инвестиционных и производственных затрат.

Область применения:Данный метод подходит для производства прецизионных отливок различных размеров со сложной структурой. Ограничений по типам сплавов и производственным партиям нет.

10) Непрерывное литье

Что такое непрерывное литье

Это передовой метод литья. Его принцип заключается в непрерывной заливке расплавленного металла в специальную металлическую форму, называемую кристаллизатором. Затвердевшая отливка непрерывно вытягивается из другого конца кристаллизатора, при этом можно получить отливку любой длины.

Технологический процесс:

Схема установки непрерывного литья. 1 — Ковш подачи жидкого металла. 2 — Промежуточный ковш. 3 — Кристаллизатор. 4 — Заслонка. 5 — Стопор. 6 — Зона кристаллизации. 7 — Тянущие ролики. 8 — Зона начала кристаллизации. 9 — Подача охлаждающей воды.

Технические характеристики:

  1. Благодаря быстрой скорости охлаждения металла, кристаллическая структура получается плотной и однородной, а механические свойства хорошими.
  2. Экономия металла и повышение производительности.
  3. Упрощенные процедуры, исключающие моделирование и другие процедуры, что позволяет снизить трудоемкость и значительно уменьшить требуемую производственную площадь.
  4. Производство непрерывного литья легко реализует механизацию и автоматизацию и повышает эффективность производства.

Область применения: Непрерывное литье может использоваться для литья стали, чугуна, медных сплавов, алюминиевых сплавов, магниевых сплавов и других длинномерных отливок с постоянной формой поперечного сечения, таких как слитки, прутковые заготовки, трубы и т.д.

Технологии литья металлов, производство отливок на производстве

Главная страница

Вопросы и ответы

Производство отливок: технологии литья металлов

Литейные сплавы: об основных технологических свойствах

Первой среди них стоит жидкотекучесть. Это значит, что расплавленный материал растекается по каналам литейной формы, заполняет контуры. Последние благодаря такому свойству воспроизводятся с максимальной чёткостью.

С помощью специальных проб определяют, имеется ли свойство жидкотекучести или нет. Замеры принимают длину заполненной спирали Архимеда.

Минимальная толщина стенок у отливки как раз выбирается в зависимости от жидкотекучести:

  1. 3,4 мм для мелких отливок из СЧ в песчаных формах.
  2. 8-10 мм в случае со средними габаритами.
  3. 12-15 – для крупных.

Остальные отливки выпускаются с толщиной в 5-7, 10-12 или 12-20 мм.

Не стоит забывать об усадке. Такое название дали процессу, при котором отливка уменьшается в объёмах во время охлаждения. Начинается всё в литейной форме, с металла в жидкой форме. И до тех пор, пока не наберётся температура окружающей среды.

Разные материалы отличаются друг от друга разным уровнем усадки. Для её определения важными становятся следующие факторы:

  • Химический состав.
  • Температура заливки.
  • Конфигурация заготовки.

Стандартное значение –в пределах от 1,9% до 2,1%.

Чтобы не образовались большие напряжения и трещины, важно предусматривать сохранение следующих свойств:

  1. Равномерная толщина у стенок.
  2. Плавные переходы.
  3. Нормальные радиусы у сопрягающихся поверхностей.
  4. Устранение элементов, усложняющих усадку.

Стержни и материалы должны обладать повышенной податливостью для достижения лучшего результата.

Газопоглощением называют способность растворять разные газы, которой могут обладать литейные сплавы в расплавленном состоянии. Растворимость газов уменьшается, когда они находятся в затвердевшем состоянии, а потом охлаждаются. Из-за этого в отливках появляются браки в виде газовых раковин и пор.

Есть понятие ликвации – его применяют для неоднородности состава в различных частях отливки. Бывает дендритной, зональной.

Дендритная происходит в пределах одного ядра.

Зональной называют неоднородность, проявляющую себя по всему объёму отливки.

Отливки изготавливаются с использованием следующих нескольких способов:

  • Центробежное литьё.
  • Литьё под давлением.
  • В кокиль.
  • В формы со специальными оболочками.
  • По выплавляемым моделям.
  • В песчаные формы.

Есть так называемые специальные способы литья:

  1. Композиционное.
  2. С использованием магнитных полей.
  3. Суспензионное.
  4. Электрошлаковое центробежное.

О литье в песчаных формах

Литейное производство и направлено на получение отливок. Это литые металлические изделия, которые производят путём заливки металлов в расплавленной форме внутрь специальных литейных форм. Потом идёт застывание, приобретение конкретных очертаний.

Технологическая оснастка при литье

Литейная оснастка – это специальные приспособления, которые применяют для получения необходимых изделий с требуемыми характеристиками. Пример – опоки, стержневые ящики, подмодельные плиты, модели и так далее.

Начнём с моделей. Это наименование приспособлений, с помощью которых получаются отпечатки полости, соответствующие наружным конфигурациям отливки. В форме при сборке устанавливают стержни, которые способствуют образованию отверстий и полостей внутри отливок, иных контуров со сложными габаритами.

Изначально модели делают больше по сравнению с отливкой, чтобы учесть величину линейной усадки, характерной для сплава. Размер припусков учитывают при механической обработке отливок. Припуском называют слой металла, который удаляется при такой работе. Он определяется размерами отливок, видами сплава. По сравнению с боковыми и верхними частями конструкции, припуск для верхних должен быть чуть больше. Это связано с появлением наверху скоплений в виде газовых включений, частичек формовочной смеси, шлаков. Возникают некоторые проблемы при удалении стержневой смеси, спёкшейся внутри, с отверстий небольших размеров. При последующей обработке механическим путём это отрицательно сказывается на стойкости режущего инструмента. Литьём рекомендуют выполнять отверстия, чей диаметр находится в пределах 25-30 мм.

От высоты отливки зависят формовочные уклоны. Их добавляют в модели, чтобы было проще удалить их из формы. Обработке подвергаются поверхности Формы могут быть разрушены при извлечении, если не будет уклонов. А сама формовочная смесь с большой вероятностью просто осыпается.

Знаки – наименование выступающих частей у модели, при помощи которых получают отпечатки знаковых частей у стержней. Главное – отсутствие уклонов и острых углов в местах, где стенки отливок сопрягаются.

Термин галтель применяют по отношению к скругленным внутренним углам. Наружные предполагают применение название «закругления».

Для моделей применяют следующие разновидности материалов:

  • Пластмасса.
  • Металлические сплавы.
  • Древесина.

В случае с деревом используют хорошо просушенную основу, из бука или ясени, сосны. Изделие склеивают из отдельных брусочков, а не из цельного куса, это предотвращает коробление. При этом придерживаются различного направления у волокон, составляющих изделие. Но такие конструкции не могут похвастаться долговечностью.

Чистая рабочая поверхность и высокая точность – главные преимущества металлических аналогов, помимо увеличенного срока службы. В производстве применяют сплавы алюминия, отличающиеся уменьшенной плотностью. Этот материал не окисляется, допускает обработку резанием.

Небольшая масса, защита от коробления, устойчивость к воздействию влаги – главные преимущества моделей из пластмасс. Одно из перспективных направлений – применение вспененного полистирола. Его не требуется вытаскивать из формы перед заливкой, материал газифицируется при выполнении работы.

Для изготовления стержней применяют специальные стержневые ящики. Они обеспечивают увеличенную скорость при извлечении стержня и делают уплотнение смеси равномерным. Отличаются наличием уклонов, что делает их похожими на модели. По конструкции бывают неразъёмными и разъёмными, а материалы в производстве – те же, что и у моделей.

Опоками именуют рамы различной формы, изготовленные из металла. Их главное назначение – использование формовочных смесей для изготовления литейных полуформ. Материалы в производстве применяют следующих разновидностей:

  1. Сталь.
  2. Чугун.
  3. Алюминиевые сплавы.

Собираются из отдельных частей, бывают литыми или сварными. Для уменьшения массы стенки часто делают с дополнительными отверстиями. Это упрощает удаление газов, способствует лучшему скреплению между элементами конструкции. Скобы и другие подобные приспособления служат для скрепления.

О формовочных, стержневых смесях

Литейное производство предполагает широкое применение глинистых и других смесей для получения отливок с разными формами. Есть разовые формы, в которых можно получить только одно изделие за раз. Форма разрушается, когда готовую деталь изымают, выбивают.

Для формовочных и стержневых смесей важно наличие определённых характеристик. Стоит подробнее остановиться на некоторых из них.

Газопроницаемость.

Из-за пористости многие смеси пропускают газы через стенки формы. Расплавленные формы металлов всегда содержат растворённую форму газов, которые выделяются при охлаждении и затвердении. Из самих формовочных материалов при нагревании газы тоже выделяются в большом количестве. Газовые пузыри или раковины как раз появляются в теле изделия, если газопроницаемости недостаточно.

Непригораемость.

При наличии такого свойства смесь способна долгое время выдерживать высокие температуры, не вступая с ними в химические реакции, не оплавляясь. Качество поверхности ухудшается из-за плёнок пригара, в этом случае и дальнейшая обработка поверхности затруднена. Газопроницаемость резко начинает уменьшаться, если материал оплавляется.

Податливость.

Название для способности смеси сокращать свой объём при воздействии усадки металла. Отливка выпускается с напряжениями, если этой характеристики недостаточно. Результат – образование трещин в дальнейшем.

Пластичность.

Сохранение смесью полученной формы, воспринимать очертания модели или стержневого ящика.

Поверхностная прочность или осыпаемость.

То, как смесь сопротивляется истирающему воздействию металлической струи. При недостаточном уровне частицы формовочной смеси отделяются друг от друга, попадают в отливку.

Прочность.

Сохранение формы без разрушения, пока её готовят и обрабатывают. Даже сильные толчки при сборке и транспортировке не должны приводить к быстрому появлению дефектов. Давление заливаемого металла тоже должно сохраняться.

Стержневые и формовочные материалы в равной степени изготавливаются из искусственных, либо натуральных исходников. Основой для большинства смесей служит песок. В большинстве случаев выбирают кварцевую его разновидность, состоящую из кремнезёма. Это огнеупорный, твёрдый и прочный материал. Для мелкого литья используют разновидности мелкозернистых составов. Благодаря этому формовочная смесь может похвастаться газопроницаемостью.

Цирконовый песок, хромит и некоторые другие материалы применяют в изготовлении деталей редко. Это дорогие аналоги, хотя они лучше кварцевого песка в смысле теплопроводности, термохимической устойчивости. Пример назначения таких основ – крупные стальные отливки с чистой поверхностью, когда сохранение определённых характеристик становится особенно важным.

Вторым исходным материалом для формовочных смесей можно назвать глину. Это связующее вещество, способствующее сохранению прочности и пластичности. Широко распространены бентонитовые, каолинитовые разновидности состава. Гидридные оболочки из водных молекул образуются на поверхности глиняных частиц в присутствии влаги. После такой обработки сцепление материала улучшается, обеспечивается лёгкое скольжение. Связующая способность глины становится лучше, если она удерживает больше воды на поверхности, пластичность формовочной смеси в этом случае тоже лучше. Прочность смеси возрастает по мере того, как воду удаляют с поверхности.

В качестве связующих веществ для формовочных смесей может выступать не только глина, но и другие компоненты:

  1. Сульфитно-спиртовая барда.
  2. Декстрин.
  3. Смолы синтетического происхождения.
  4. Жидкое мыло, и так далее.

Такие вещества включают в состав в количестве 1,5-2%. После отвердение занимает гораздо меньше времени.

В песчано-глинистые смеси вводят и другие добавки, чтобы улучшить первоначальные качества. Пример противопригарных материалов для стального литья:

  1. Хромистый железняк.
  2. Пылевидный кварц.

Каменноугольная пыль и мазут применяются в случае с чугунным и цветным литьём. Древесные опилки добавляют для увеличения газопроницаемости, податливости.

Формовочные смеси можно разделить на несколько групп по характеру использования:

  1. Единые.
  2. Наполнительные.
  3. Облицовочные.

Сырыми или сухими они могут быть в зависимости от состояния литейной формы при её изготовлении.

В зависимости от литейного сплава выбирают, какой будет состав у формовочной смеси. Учитывают факторы вроде температуры плавления и усадки, массу и размеры, конфигурацию отливки.

Тонкий слой противопригарных материалов используют для предотвращения пригара, улучшения чистоты поверхности. Припыли применяют в случае с сырыми формами.

Формы для чугунных отливок предполагают применение:

Порошкообразную смесь магниевого оксида.

Древесный уголь.

Бетонит.

Порошкообразный графит.

В случае со стальными отливками основная смесь состоит из других компонентов:

  1. Циркон.
  2. Пылевидный кварц.
  3. Огнеупорная глина.
  4. Оксид магния, другие подобные материалы.

Противопригарные краски актуальны, когда речь идёт о сухих формах. Допустимо добавление водных суспензий материалов, вместе со связующими.

Литниковые системы

При заливке металлов используют так называемую литниковую систему. Это совокупность каналов и резервуаров, по которым сплав попадает в полость формы из ковша. Литниковая система работает, чтобы металл попадал в форму, и процесс был непрерывным. Обеспечиваются и другие этапы работы:

  • Питание отливки, чтобы компенсировать усадку.
  • Защита от дальнейших разрушений в форме.
  • Защита от попаданий внутрь шлака, воздушных струй.

Любая литниковая система состоит из следующих компонентов:

  1. Питатели.
  2. Шлакоулавитель.
  3. Стояк.
  4. Литниковая чаша.

Размывающее действие струи расплава уменьшается благодаря использованию чаши. Эта же часть способствует задержанию всплывающего шлака. Иногда устанавливают фильтры, чтобы повысить эффективность задержания шлаковых включений не только в чашу, но и в другие элементы. Это керамические сетки, либо применяют специальную стеклоткань.

Стояк – это канал с круглым сечением, бывает коническим, либо сужающимся к низу. По нему металл попадает в шлакоулавитель.

Сам шлакоулавитель нужен для задержания шлака и других частиц. Это горизонтальный канал, расположенный в верхней полуформе, обычно трапециевидного сечения.

Суть питателей в том, что это каналы с сечением в виде прямоугольника или трапеции. Они примыкают к шлакоуловителю в нижней части. Назначение деталей – подвод металла непосредственно в полость формы.

Обычное место крепления для шлакоуловителей – нижняя полуформа, они должны при этом сохранять некоторое расстояние до стояка и концов шлакоуловителя. Иначе шлак и другие частицы с большой вероятностью задерживаются внутри. Самое большое сечение у стояка, далее идёт шлакоуловитель, затем питатели.

Каналы для выхода из формы воздуха и газов по-другому называются опорами. Их монтируют над самым высоким местом полости формы, чаще это сторона, противоположная месту, где металл заводят внутрь. Благодаря такой конструкции усадка застывающего материала происходит мгновенно. Полноту заполнения формы металлической частью проще контролировать.

Есть ещё специальные полости, наполненные металлом в жидкой форме. При изготовлении отливок их делают из стали у наиболее массивных частей. Благодаря этой части отливки защищены от рыхлот и усадочных раковин. Сами такие «прибыли» застывают последними, они способствуют бесперебойному процессу заполнения формы жидким металлом.

Ярусная, верхняя и нижняя литниковые системы применяются в зависимости от размеры и форм отливок, состава и свойств литейного сплава. Для мелких деталей с небольшой высотой актуальна верхняя система, она самая простая и доступная. Чем больше высота – тем больше металл размывается струёй, увеличивая процесс разбрызгивания и окисления. Количество неметаллических включений в телах отливок после этого увеличивается.

В случае со средними и толстостенными отливками актуальна нижняя система. Она делает так, что заполнение металлом проходит спокойно. Но конструкция и эксплуатация в этом случае усложняются.

При ярусной системе питания отливок идёт последовательно снизу вверх. Применяется для самых крупных разновидностей отливок. Она сложна в изготовлении, предполагает дополнительный расход металла.

Изготовление литейных форм

Ручное изготовление форм предполагает выполнение действий в следующей последовательности.

Начинают с изготовления нижней полуформы.

На подмодельную доску устанавливают нижнюю половину модели, у которой нет центрирующих шипов. После этого ставят опоку. Разделительным составом покрывают поверхность модели и доски, чтобы смесь и оснастка не прилипали друг к другу. Обычно для этого применяют графит или тальковый порошок, кварцевый песок. 20-30 миллиметровый слой облицовочной смеси тоже наносят на модель, руками вокруг самой модели уплотняют эту же часть. Остальной объём опоки заполняется наполнительной смесью. Трамбовка сначала идёт у стенок опоки, потом переходит к средней части. Линейку применяют для срезания излишков. Отверстия для выхода газов накладывают на расстоянии 10-15 миллиметров от модели, и 40-50 мм друг от друга. Вторая подмодельная доска закрывает заформованную опоку, потом всё переворачивают на 180 градусов.

Изготовление верхней полуформы.

Верхнюю половину модели устанавливают на нижнюю половину, по центрирующим шипам. Следом устанавливают модели шлакоуловителей вместе со стояком и выпорами. Тонким слоем сухого кварцевого песка посыпают поверхность разъёма формы, чтобы защититься от прилипания смеси в нижней опоке к формовочному аналогу. По центрирующим штырям на нижнюю опоку устанавливают верхнюю. Наполнение формовочными смесями идёт так же, как и в случае с верхней частью. Литниковую чашу прорезают гладилкой, когда уплотнение смеси завершено.

Извлечение моделей.

Требуется раскачать модели стояка и выпоров, удалить их из верхней полуформы. Опоку внизу тоже снимают, потом поворачивают на 180 градусов, чтобы разъём находился вверху. Питатели прорезают гладилкой, в плоскости разъёма нижней полуформы. Половину обычных моделей и модель шлакоулавителей тоже удаляют из полуформ, слегка раскачав конструкции. Важно удалить любые дефекты, которые появились в процессе работы. Для удаления возможных засоров всё обдувают сухим влажным воздухом. Молодой древесный уголь или графит применяют для припыливания поверхности.

Сборка литейной формы.

Стержень устанавливают в нижнюю полуформу, когда подобное действие необходимо. Потом сверху идёт верхняя полуформа. Скобами или штырями конструкцию фиксируют, потом на верхнюю полуформу устанавливают груз. Это необходимо, чтобы предотвратить уход металла жидкой формы через разъём во время отливки. Металл заливают в форму, пока не будет заполнен весь объём.

Литьё на основе выплавляемых моделей

Такой способ использовался для литья скульптур ещё много лет назад. В 40-ых годах двадцатого века нашёл применение в сфере машиностроения.

Отличается трудоёмкостью процесса и высокими ценами. Но во многих ситуациях оправдано и применение такой технологии, например:

  1. При отсутствии последующей обработки механического характера.
  2. Если механическая обработка сама слишком сложная и трудоёмкая.
  3. Используются труднообрабатываемые сплавы.

Изготовление отливок по выплавляемым моделям существует большое количество, как и рецептур по модельным и формовочным смесям.

Широкое распространение получила смесь, в которой по 50% стеарина и парафина. Под небольшим давлением в пресс-форму из печи размещают легкоплавкий сплав в расплавленном состоянии. Результат – легкоплавкие модели, сохраняющие точные размеры.

Легкоплавкую модель достают из формы, когда изделие полностью затвердеет. Потом всё собирается в блоки с литниковой системой. Следующий этап – погружение в огнеупорную суспензию, состав которой включает 70% кварцевой муки и 30% гидролизованного раствора этилсиликата с повышенной клейкостью. Блок с моделями посыпают кварцевым песком, потом подвергают сушке. Эти операции повторяют по несколько раз, чтобы в итоге получить конструкцию с толщиной 5-8 миллиметров.

Плавление идёт с помощью горячего воздуха, температура которого составит 120-150 градусов, допустимо применение и холодной воды. В металлический жакет помещают облицованную и просушенную форму, когда речь идёт о крупных разновидностях отливок. Потом всё засыпают песком и уплотняют, либо засыпают металлическими смесями.

Потом идёт прокаливание готовой формы, пока не наберётся температура в 850-900 градусов. При таких условиях выгорают все остатки легкоплавкого металла. Сама форма становится прочной керамической оболочкой.

Расплавленный сплав помещают в форму. Используют центробежные силы, когда возникает необходимость.

Блоки отливок выбивают из опок после того, как металл затвердел. Отдельно отбивают корку из керамики. Для этого отливки выщелачивают в ванне с раствором при 120 градусах. Потом остаётся всё промыть в горячей воде. Многие заводы автоматизируют и механизируют процессы обработки.

Для получения точных отливок в промышленности начали применять следующие технологии:

  • По газифицирующим моделям.

  • По выжигаемым моделям.

  • По размораживаемым.

  • На основе растворяемых.

  • Газофицируемые модели или использование пеномоделей – один из самых перспективных методов.

В этом случае предполагается применение неразъёмных форм. Из них модель не извлекают. Теплота расплавляемого металла и обеспечивает газификацию. Масса итоговых отливок – от 0,2 килограмм до нескольких тонн.

Малой плотностью отличается сам пенополистирол, который применяют в изготовлении деталей. Его разложение происходит при 300-350 градусах. В результате выделяются только пары стирола, обработка идёт даже обычной проволокой и ножами.

Для единичного производства берут пенопластовые модели, проходящие ручную обработку. Пилы, рубанки и станки становятся незаменимыми помощниками в этом процессе. Модели можно изготавливать по частям, чтобы потом соединять их в единое целое.

Вспенивание внутри форм из пластмасса или металла – метод, который применяют в случае с крупносерийным производством. Полистироловые гранулы загружают внутрь формы с полостью, которая напоминает модель по конфигурациям и размерам. Гранулы начинают вспениваться и расширяться при нагревании, спекаются друг с другом. Полость формы заполняется полностью. Модель извлекают из формы после окончания охлаждения.

Для формовки пенопластовых моделях в опоках используют обычные методы. Встряхивающие и вибрационные станки применяют для формовочных смесей.

Форму заливают сплавом, когда производство почти закончено. Модель проходит газификацию. Газы удаляются в выпоры. Отливка образуется на том месте, где раньше была модель.

Изготовление отливок на пенопластовой основе предполагает и другие методы. На завершающих этапах удаление модели предполагает применение таких технологий:

  1. Растворение.
  2. Прокаливание формы.
  3. Электроплавка.
  4. Продувка формы.

Пенопластовые модели легко заменят выплавляемые аналоги.

Применение оболочковых форм

Расплавленный металл свободно заливается в оболочковые формы на основе из термореактивных смесей.

Разновидность способа литья с разовыми песчаными формами. В итоге появляются поверхности с высоким качеством изготовления. В основе смеси – кварцевый песок и смола синтетического происхождения. При 70 градусах фенолформальдегидные смолы начинают растворяться, их температура плавления достигает 120 градусов. Спустя несколько секунд материал переходит к отвердению. При 450 градусах у смолы идёт выгорание. Способы получения оболочковых форм основаны на способностях смол переходит из жидкого состояния к твёрдому необратимому. После заливки модель легко разрушается, освобождая необходимое место.

Литьё в металлические формы или кокиль

Кокилями называют модели, изготовленные из металла. Расплавленные составы свободно растекаются по ним для получения результата.

Чугун, сталь и другие сплавы применяют при изготовлении кокиля чаще всего. Способы такого литья отличаются своими преимуществами:

  1. Большое число заливок, от нескольких десяток до сотен тысяч.
  2. Чем ниже температура заливаемого сплава, тем больше стойкость.
  3. Применение формовочной смеси в этом способе исключено.
  4. Технико-экономические показатели производства улучшаются.
  5. Лучше санитарно-гигиенические условия труда.

Процесс катализации сплава ускоряется благодаря высокой теплопроводности кокиля. Тогда отливки обладают повышенной герметичностью, механические свойства у них тоже повышены.

Допустимо многократно получать отливки разных размеров, ведь металлические формы прочные. Качество поверхности повышается при минимальном физико-химическом взаимодействии между металлом формы и отливки.

Есть и недостатки:

  • Необходимость точного соблюдения технологических требований, иначе возникнет напряжение.
  • Высокая стоимость производства кокилей.
  • Малая стойкость форм.

До 6% от общего числа стальных отливок получают в кокилях. Для серийного и массового производства этот метод отливки будет целесообразным с экономической точки зрения. Изготовление чаще идёт из двух половин, которые в обычном литье соответствуют полуформам. Внешней конфигурации отливки соответствует рабочая полость кокиля. В эту форму устанавливают песчаные стержни, образующие полость с конфигурациями отливки. Каналы литниковой системы выполняют, чтобы заливать кокиль жидким металлом в плоскости разъёма или в стержне. Между полостью кокиля и стержнем пространство полностью заполняют сплавом, в результате чего получаются отливки. Кокиль раскрывают после затвердевания, изнутри выталкивается готовая отливка.

После процессы повторяют.

Кокиль выпускают с одним или нескольким разъёмами, в зависимости от конфигурации отливки. Сами плоскости у разъёма тоже бывают нескольких видов:

  1. Горизонтальные.
  2. Вертикальные.
  3. Комбинированные.

На рабочую поверхность наносят теплоизоляционные покрытия, способствующие достижению следующего результата:

  • Повышение стойкости кокиля.
  • Защита от образования закалённого слоя возле поверхности.
  • Уменьшение скорости охлаждения отливок.
  • Для изготовления теплоизоляции применяют один материал, либо сразу несколько. Патока или жидкое стекло выступают связующими материалами.

Кокиль отличается почти полной газонепроницаемостью. Через выпор и специальные каналы газ удаляется из конструкции. Стандартная глубина каналов составит 0,2-0,5 мм. Жидкий сплав через них не вытекает, зато для удаления именно газов конструкция подходит хорошо.

По сравнению с песчаными формами, такой процесс гораздо легче механизировать и автоматизировать. Однопозиционные и карусельные кокильные машины облегчают механизацию. Машины помогают автоматизировать такие процессы:

  1. Открывание и закрывание кокилей.
  2. Постановка, удаление металлических стержней.
  3. Выталкивание отливок из кокиля.

Технология литья под давлением

Под давлением в этом случае осуществляются такие этапы, как заполнение сплавом и формирование отливок. В массовом производстве тонкостенных изделий технология стала незаменимой. Плюсы:

  • Большая точность размеров у отливок.
  • Высокое качество поверхности.
  • Отсутствие требований по механической обработке.

В час этим методом легко выполнить 200-400 циклов. Формы изготавливаются стальными при литье под давлением. Характерно применение неразъемных стержней, изготовленных из металла. По сравнению с кокилями, формы и конструкция здесь более сложные, поэтому возрастает и стоимость. Песчаные стержни слишком легко разрушаются под воздействием струи металла. Образуется газовая пористость, поскольку газы не успевают удалиться из формы.

Предполагается использование пресс-форм – это сложные приспособления из 30-=100 деталей. С рабочей частью, выполненной из специальных вкладышей. Для образования отверстий в отливке автоматически вставляются и вынимаются металлические стержни.

Камера прессования заполняется сплавом. Полость пресс-формы заполняется металлом во время этого процесса. Отливку выталкивают толкателями, когда конструкция раскрывается.

Машины для литья под давлением – разновидность сложных технических установок. Вот лишь основные детали:

  • Корпус.
  • Направляющие.
  • Гидравлические цилиндры. Последние приводят в движение половины пресс-формы, отвечают за металлические стержни.
  • Те же цилиндры создают давление для прессования металла.

Низкое давление – промежуточный вариант между обработкой под давлением и с использованием кокилей. Электронагреватели применяют для расплавления металла в герметически закрытом тигле. По стальному металлопроводу основные материалы попадают в форму. Давление газа внутри тигля снимают после отвердения, потом идёт удаление отливки.

О центробежном литье

Предполагается свободная заливка во вращающиеся формы. Формирование отливок идёт при воздействии на них центробежных сил. Заливаемый металл отбрасывается к стенкам формы, где всё твердеет, приобретает конечную форму. В промышленности этим способом получают разные изделия.

Для образования полостей цилиндрических отливок стержни в этом способе не используют. Итоговые изделия могут похвастаться высокими механическими свойствами, плотностью. Благодаря этому методу становится проще обрабатывать сплавы с низкой жидкотекучестью.

Центробежное литьё отличается и некоторыми недостатками. Главный – трудность получения качественных отливок, когда речь о ликвирующихся сплавов. Отмечают невозможность выполнения точных размеров отверстий в отливках. Результат зависит от того, сколько внутрь залито металла.

Формы вращаются за счёт воздействия специальных машин, которые называются центробежными. Оси вращения бывают горизонтальными или вертикальными, в зависимости от расположения в пространстве.

Поперечное сечение и равномерная толщина стенок характерны для изделий в случае с горизонтальной осью вращения. Отличный вариант для длинных, трубкообразных изделий. Через желоб металл из ковша заливают в форму. Жидкий металл попадает на внутреннюю стенку вращающейся формы. Вокруг образуется плотная цилиндрическая отливка, которую потом легко удалить изнутри. Центробежные машины предполагают применение только металлических форм.

В случае с вертикальной осью форму закрепляют на шпинделе, а движение идёт за счёт силы электродвигателя. Форма вращается до тех пор, пока отливка не затвердевает, и её не извлекают из внутреннего пространства.

Внутренняя поверхность у осей вращения формы в случае с вертикальным расположением параболическая. Толщина вверху у отливки больше, чем внизу. Высота отливок в результате этого метода остаётся небольшой.

Литьё металла по выплавляемым моделям на кухне

Я решил попробовать научиться лить металл дома, когда встретил в сети упоминания карборундового тигля, способного расплавить алюминий и бронзу в СВЧ печи.

Описание процесса и результаты попыток кратко изложу в этой статье.

Изготовление мастер-модели

Модели я печатал из PLA — самого легкоплавкого пластика из имевшихся под рукой. Сопло 0.4-0.6, слой 0.1-0.2, заполнение 30%, в общем, всё как обычно.

В качестве моделей взял стандартные «кораблик» и «кубик», к которым прилепил литники из воска от сыра.

И начерченный в CAD-e барашек для крана автоклава взамен потерянного (у него литники сделал прямо при моделировании — правда, они сразу отломались, пришлось зажигалкой приклеивать).

Изготовление литьевой формы

В целом, есть два способа изготовить форму. Можно сделать по модели форму из нескольких частей, потом вынуть из формы модель, собрать форму обратно и залить в неё металл.

Можно сделать монолитную форму, потом вытопить из неё модель и залить металл в образовавшуюся полость. Первый вариант не портит модель и позволяет использовать форму несколько раз, второй — проще технически и позволяет делать модели сложной формы. Для разового литья по распечатываемым моделям разумно использовать выплавляемые формы, что я и сделал.

Что касается материала для формы, то есть три типа популярных смесей, песок + глина, песок + жидкое стекло и смеси на основе гипса.

Смеси на основе гипса легки в изготовлении, но их нужно прокаливать при 700 градусов Цельсия, чтобы избавиться от химически связанной воды. Дома, естественно, хотелось минимизировать работу с высокими температурами, поэтому гипс я отмёл.

Смеси на основе глины удобны многоразовостью материала и быстротой прототипирования — но, судя по рассказам, крайне прихотливы. К тому же их обычно используют во влажном виде, что не применимо к методу выплавляемых моделей.

Поэтому я остановился на смесях на основе жидкого стекла. Их рекомендуемый состав — смесь песок : жидкое стекло в соотношении 100 : (7-10). Впрочем, у меня они, почему-то, получались при таком соотношении слишком сыпучими, так что я брал жидкого стекла чуть больше.

Жидкое стекло использовал первое попавшееся в магазине.

Песок, судя по рассказам, лучше брать карьерный, но для составов с жидким стеклом это не так важно; я взял речной, фракцию «менее 0.25 мм» (облепливал ею модель) и «0.25-0.5 мм» (делал из неё периферические части формы). Но не думаю, что это очень важно, подозреваю, что песок, просто просеянный через сито для муки, даст почти тот же результат.

Забив внутренние части модели смесью и по возможности облепив ею снаружи, я засыпал на дно подходящей конической баночки смесь, укладывал на неё модель и забивал смесью все свободное место.

В общем, на модели объёмом порядка 10-20 мл уходило 300-600 граммов просеянного песка.

Сушка и выплавление формы

Для сушки я использовал электрическую духовку в режиме обдува горячим воздухом.

Сначала я подсушивал форму прямо в баночке при 70*С — так, чтобы образовалась сухая корочка и форму можно было перевернуть. Это занимало где-то час.

Потом я переворачивал форму и снимал пластмассовую баночку, в которой делал форму.

В таком виде сушил ночь — но, если честно, подозреваю, что этот этап можно пропустить.

Затем подстилал на дно фольгу, поднимал температуру до 250, и вытапливал PLA в течении целого дня. Учтите, что обдув горячим воздухом приводит к тому, что капли PLA падают отнюдь не вертикально, поэтому фольга должна быть не только прямо под формой, но и по всему дну.

Вот так выглядят формы после выплавления:

Металл

Требуемый объём металла легко увидеть в слайсере, если задать нарезку модели со 100% заполнением. Плотность бронзы около 9 г/мл, алюминия — около 3 г/мл. На самом деле, поменьше, но ведь ещё запас на литник нужен, на окисление при плавлении, и так далее.

На алюминий я распустил литой корпус старого прибора, надпилил его реноватором и разломал на подходящие кусочки парой газовых ключей.

Бронзу марки БРОФ7-0.25 приобрёл на Авито в виде стружки. Сразу говорю, это была плохая идея, у бронзовой стружки очень низкая насыпная плотность, её влезает в тигель хорошо если десяток-другой граммов, она пружинит, а не прессуется.

Плавка

Проводилась в соответствии с инструкцией изготовителя тигля.

Размеры тигля — примерно 45 мм внутренний диаметр и примерно 35 мм высота. Теоретически это даёт объём около 50 мл. Но полностью использовать объём можно, только заложив в тигель заготовку, точно выточенную под объём тигля; на практике, если использовать обычные куски металла, влезает около 25-30 мл. Вот тигель, полный алюминия — даже с небольшой горкой над уровнем тигля; это примерно 70 граммов, то есть 25 мл:

Алюминий расплавился довольно быстро (примерно, за 10 минут), а вот бронзовая стружка пыталась расплавиться около получаса — после чего СВЧ печь издала странный звук и больше ничего плавить не захотела. Изучение проблемы показало, что в печке сгорели высоковольтные конденсатор и предохранитель. Я их, конечно, поменял — но решил, что это знак свыше, и больше бронзу плавить не пытался.

К сожалению, как раз перед сгоранием печи бронза всё-таки почти расплавилась, и легла блином на дно тигля. Как я уже сказал больше бронзу я плавить не стал, так что пользовался тиглем с бронзовым блином на дне. 

Вот так выглядят формы, в которые уже залит металл:

Чистка отливок. Результат.

Большая часть формы легко осыпалась после нескольких ударов молотком, но то, что прилегало непосредственно к модели, слегка окаменело, и эти остатки пришлось очищать стальной иглой.

Кораблик после отбвивания молотком основной части формы, но до чистки иглой:

В общем, результат получился лучше, чем я рассчитывал, учитывая все прелести алюминия, хотя местами, конечно, наблюдается непролив.

Обзорное фото результатов вы видели в начале статьи. Вот оно ещё раз.

Видно, что кубик и кораблик, в целом, получились похожими на модель, но не идеально пролитые. А вот ручка вышла откровенно плохо: я сделал слишком тонкие литники, и алюминий просто не затёк в форму.

Дно корабля, слом литника. Видно, что структура зернистая, с полостями:

Кораблик спереди. Видны непроливы:

Крыша кораблика. Видна слоистость печати принтера (0.1 мм слои):

Выводы:

0. Всё нижеперечисленное — мои выводы на основе минимального опыта.

1. Литьё небольших деталей можно организовать на обычной кухне с минимальным набором специально докупленных вещей.

2. Отливать можно детали из алюминия. Теоретически можно и из бронзы, но на пределе возможностей микроволновки.

3. Отливать можно детали объёмом где-то до 20-25 мл.

4. Для литья по выплавляемым моделям подходят модели из PLA.

5. Теоретически, можно печатать слоем 0.1 мл, но, на практике, 0.2 мм обычно достаточно.

6. В качестве формовочной массы подходит смесь песка с жидким стеклом (7-15%).

7. Песок можно брать обычный речной, фракция «менее 0.5 мм» достаточна, хотя для более тонкого литья можно попытаться взять фракцию «менее 0.25 мм».

8. Выплавлять модель можно несколько часов, при температуре около 250 градусов Цельсия.

9. При литье из алюминия стабильно получаются элементы толщиной больше 2-3 мм.

10. В частности, литники желательно делать толщиной 4-5 мм.

11. Не забывайте о технике безопасности при литье. Надевайте перчатки, хлопковую или кожаную одежду с длинными рукавами и штанинами, ботинки.

Научитесь литью металла [Типы и процессы]

перейти к содержанию

MetalworkingMetal

Кристин Арцт

Что такое литье металлов?

Литье металла — это процесс, которому уже 7000 лет, и который используется как в производстве, так и в изобразительном искусстве. Во время литья металла расплавленный металл переносится из тигля в форму для создания положительного металлического литого объекта. Металл и форма охлаждаются, а металлический предмет извлекается и обрабатывается. Традиционные методы литья металлов включают литье по выплавляемым моделям, литье в гипсовые формы, литье под давлением и литье в песчаные формы, и это лишь некоторые из них. Эти процессы литья металла могут выполняться в литейном цехе или в ювелирной мастерской.

Процессы литья металлов известны уже тысячи лет и широко используются для создания скульптур, украшений, транспорта, оружия и инструментов. Первый известный литой предмет — медная лягушка, датируемая 3200 г. до н. э., найденная на территории современного Ирака. В эпоху бронзы популярность металлического литья резко возросла. Бронза была гораздо более легким и прочным сплавом для работы по сравнению с золотом, и из нее отливали инструменты и оружие с использованием каменных форм. Во времена династии Шан в Китае одноразовые песчаные формы впервые использовались для литья металлов. Около 1000 г. до н.э. Индия была одной из первых древних цивилизаций, отливавших серебряные и медные монеты в качестве валюты. Позже, около 500 г. до н.э., династия Чжоу ввела чугунное литье. На протяжении всей истории Ближний Восток и Западная Африка обычно использовали литье по выплавляемым моделям. Много лет спустя в 20 веке произошел бум технологии литья металлов, разработав процессы, на которых основано большинство современных методов.

Для чего используется литье металлов?

На протяжении всей истории металлическое литье использовалось для изготовления инструментов, оружия и религиозных предметов. Литье — это недорогой способ создания сложных форм и рисунков, а также легкое создание нескольких одинаковых объектов. Процесс литья металлов широко используется в производстве, особенно в развитии технологий и транспорта. Отливки могут иметь размер от нескольких граммов, как отлитое кольцо, до тысяч фунтов, как дизельный двигатель. Формы литья различаются по сложности от чего-то совсем простого до невероятно замысловатого.

В то время как транспорт и тяжелое оборудование составляют большую часть отливок, производимых во всем мире, литье металлов является невероятно универсальным процессом. Скорее всего, вы найдете компоненты литья металлов в следующих объектах: