Изделия получаемые литьем. Специальное литье. Литьё в оболочковые формы

Человечество используем металлы и их сплавы несколько тысячелетий. Сначала металлы находили в виде самородков и россыпей, позже доисторические племена научились перерабатывать металлосодержащие руды. Проверенным способом получения изделий из металлов было литье в земляные формы.

Отливали наконечники для стрел и мечи, сельскохозяйственные орудия и инструменты, утварь и украшения. За прошедшие с тех пор тысячелетия человек изобрел множество новых приемов обработки материалов и методов литья, включая литье под давлением, газифицируемые формы и порошковую металлургию. Старинный способ также сохранился, но используется в основном в скульптурных мастерских и художественных промыслах.

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 и свинец — самые мягкие и легкоплавкие металлы — можно отливать даже в деревянные матрицы.

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.

Металлы для заливки

Черные металлы

В металлургической промышленности различают цветные и черные металлы. К черным относятся железо, марганец, хром и сплавы на их основе. Сюда входят все стали, чугуны и ферросплавы. Черные металлы дают более 90% мирового потребления металлических сплавов. Из стали производят корпуса и детали транспортных средств от самоката до супертанкера, строительные конструкции, бытовую технику, станки и другое промышленной оборудование.

Чугун — отличный металл для литья крупных прочных и долговечных конструкций, не подверженных напряжениям изгиба или скручивания.

Цветные металлы, в свою очередь, в зависимости от физических свойств, и прежде всего, удельного веса, делятся на две большие группы

Легкие цветные металлы

В эту группу входят алюминий, титан, магний. Эти металлы встречаются реже, чем железо, и стоят дороже. Их применяют в тех отраслях, где нужно снизить вес изделия — аэрокосмическая промышленность, производство высокотехнологичных вооружений, производство вычислительной и телекоммуникационной техники, смартфонов и малых бытовых приборов.

Титан благодаря своему отличному взаимодействию с тканями человеческого организма широко применяется для протезирования костей суставов и зубов.

Тяжелые цветные металлы

Сюда относятся медь, олово, свинец, цинк и никель. Их применяют в химической промышленности, производстве электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионно-стойкие сплавы.

Благородные металлы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также более редкие рутений, родий, палладий, осмий, иридий.

Первые три известны человеку с доисторических времен. Они редко (относительно меди и железа) встречались в природе и поэтому служили платежным средством, материалом для ценных украшений и ритуальных предметов.

С развитием цивилизации золото и платина сохранили свою роль средства накопления богатств, однако стали весьма широко использоваться в промышленности и медицине из-за своих уникальных физико-химических свойств.

Методы литья металлов

Основные методы литья металлов следующие:

Традиционный метод

Металл поступает в форму под действием силы тяжести. Применяются песчано-глиняные или металлические матрицы. Недостаток метода — высокая трудоемкость изготовления форм и других операций, тяжелые условия труда и низкая экологичность

Литье под низким давлением

Модель извлекают из формы, части ее собирают вместе, создают . Форму накалывают тонкими острыми иглами, чтобы обеспечить газоотведение. Производят отливку, ждут ее остывания,

Разъемную форму, называемую кокилем, изготавливают из металлических деталей. Части матрицы получают путем отливки или, если требуется обеспечить высокое качество поверхности и точность размеров, путем фрезерования. Формы смазывают антипригарными составами и производят заливку.

После остывания кокили разбирают, извлекают отливки, очищают. Металлическая матрица выдерживает до 300 рабочих циклов.

Модель выполняется не из дерева или воска, а из легкоплавкого и газифицируемого материала, преимущественно полистирола. Модель остается в форме и испаряется при заливке металла.

Преимущества способа:

модель не требуется извлекать из матрицы;
можно изготовлять модели сколь угодно сложных отливок, не нужны сложные и составные формы;
существенно снижена трудоемкость моделирования и формования.

Литье по газифицируемым моделям приобретает большую популярность на современных металлургических производствах.

Формы для литья

Самый древний вид форм — это формы из песчано-глиняной формовочной смеси, или «земли». Исторически центры металлургии возникали рядом с местами залегания уже готовых по своему составу для литья песков, например, рядом с всемирно известным Каслинским чугунным заводом. Смеси делятся на обмазочные и наполнительные.

Для построения любой матрицы требуется модель — макет будущего изделия в натуральную величину, но несколько больших размеров — на величину литейной усадки.

Модель помешают по центру опалубки, или опоки, и наносят на нее слой обмазочной смеси — термостойкой и пластичной. Потом начинают послойно, тщательно трамбуя каждый слой, заполнять опоку наполнительной смесью. Требования к наполнительным смесям намного ниже, чем к обмазочным — они должны выдерживать давление залитого металла, сохраняя конфигурацию отливки, и обеспечивать выход плавильных газов. После модель извлекают из формы и на ее место заливают расплав.

Для отливок сложной конфигурации, имеющих замысловатые детали и внутренние полости, применяют составные модели и формы из нескольких частей.

Литье также осуществляется и в металлические формы. Их применяют при больших тиражах отливаемых деталей, в тех случаях, когда требуется высокая точность размеров и низкая шероховатость поверхности отливки, а также для некоторых металлов, активных в нагретом состоянии. Температура плавления материала формы должна быть существенно выше, чем температура отливаемого расплава.

Область применения

Различные способы литья имеют свои преимущественные сферы применения.

Так, литье в песчаные формы применяется при единичных отливках или малых сериях. Проверенный тысячелетиями способ понемногу уходит с промышленных предприятий, но продолжает использоваться на художественных промыслах и в скульптурных мастерских.

Литье в металлические формы применяется в случаях, когда требуется

большие тиражи отливок;
высокая точность размеров;
высокое качество поверхности.

Также литье в металл популярно в ювелирной промышленности и в производстве металлических украшений.

Литье под давлением все шире используется предприятиями, сфокусированными на качестве своих изделий, следящими за экологией, охраной труда и эффективным расходованием материальных и энергетических ресурсов.

Литье по газифицируемым моделям применяется в тех случаях, когда планируются большие тиражи отливок, требуется высокая точность и экономия трудоемкости.

Развитие массового производства отливок привело к совершенствованию известных и разработке новых специальных способов литья. Перед литейным производством стоит задача получения отливок с максимальным приближением их формы и размеров к форме и размерам готовой детали, при этом наиболее трудоёмкая операция механической обработки должна быть ограничена лишь чистовой обработкой и шлифованием. Это можно достичь усовершенствованием и внедрением специальных, более точных способов литья таких как литьё в кокиль, литьё под давлением, центробежное литьё, литьё по выплавляемым моделям, литьё в оболочковые формы и др.

При производстве точных отливок в разовые формы исключается или уменьшается механическая обработка отливок. К таким способам литья относится литье в оболочковые формы, по выплавляемым моделям, литье в гипсовые и стеклянные формы, литье по пенополистироловым моделям.

В полупостоянных формах (из шамота, металлокерамики, графита), без их разрушения можно получить несколько десятков и даже сотен отливок.

В металлической форме можно изготовить несколько тысяч отливок с размерами большой точности. К литью в металлические формы относятся литье в кокиль, центробежное литье, литьё под давлением и др.

5.1.1. Литьё в песчаные формы.

Для изготовления крупно габаритных деталей сложной формы, при мелкосерийном и единичном производстве, применяется литьё в песчаные формы. На Рис.4.1 приведён пример последовательности изготовления отливки, корпуса вентиля, в песчаную форму. По чертежу детали разрабатывают чертёж отливки Рис.1а. В модельном цехе изготовляют из древесины или металла модель состоящую из двух или более частей, в зависимости от конструктивных особенностей детали, обеспечивающих её извлечение из формовочной смеси. Модель имитирует внешние обводы детали и посадочные места стержня (знаки 1) , которыми стержень фиксируется в литейной форме. В формовочном цехе одну половину модели устанавливают на модельную плиту, с закреплённой на ней нижней. опокой 4 литейной формы.

Опока представляет собой прямоугольный ящик и является частью литейной формы. Опоку, с находящейся внутри моделью, засыпают формовочной смесью и уплотняют её. Опоку снимаю с плиты, переворачивают на 180 0 Рис.5.1.в и устанавливают вторую половину модели с литниковой системой 2, а также верхнюю опоку 3. Верхнюю опоку 3,

Рис.5.1 засыпают формовочной смесь и уплотняют её.

В стержневом ящике рис.5.1г изготавливают стержень рис.5.1д, имитирующий внутреннюю полость литой заготовки и форму

знака, т.е. место его фиксации в форме. В качестве материала используется стержневая смесь, из которой и формуется стержень.

Верхнюю опоку снимают, извлекают из обеих полуформ модель детали и литниковой системы, стараясь не нарушить целостность отформованной смеси. Устанавливают в нижнюю полу форму стержень 6 рис.5.1.е и закрывают её верхней полуформой. Полость, образовавшаяся между стержнем и формовочной смесью верхней и нижней полу формами, через литниковую систему заполняется расплавленным металлом.

Рис.5.2

После затвердевания металла форма разбирается и отливка извлекается. Литую заготовку очищают от формовочной смеси, выбивают стержни, отрезают и зачищают литники. Форма может состоять как из двух, так и нескольких опок. На рис.5.2. показаны формы для получения литой заготовки шкива. Формирование внешних обводов детали осуществляется в следующей последовательности.

Формование нижней части заготовки производится в нижней опоке 3, которую

устанавливают на модельную плиту. На модельной плите закрепляют модель, которая имитирует отливку до плоскости разъёма опок. На опоку устанавливают наполнительную рамку и опоку заполняют формовочной смесью. Формовочную смесь уплотняют прессованием, встряхиванием или с помощью специальных машин, пескомётных или пескострельных.

После формовки опоку аккуратно снимают с модельной плиты и переворачивают на 180 0 . Модель должна иметь такую форму, чтобы не происходило разрушение формовочной смеси при извлечении модели из опоки, т.е. предусмотрены необходимые уклоны. Устанавливают модель втулки 4, стояка 6 , выпора 5 рис.5.2.а и формуют верхнюю полуформу.

После уплотнения формовочной смеси снимают верхнюю полуформу, извлекают из неё модель стояка, выпора, а из нижней модель отливки. Перед сборкой полуформ устанавливают стержни 1 и 2, которые служат для формирования в отливке центрального отверстия и кольцевого углубления. Стержни изготовляют из специальных формовочных смесей обеспечивающих большую газопроницаемость, прочность, противопригарность.

В единичном производстве туже самую деталь можно изготовить в трёх опоках, плоскости разъёма которых проходят по торцевым поверхностям шкива. При таком формовании исключается изготовление одного из стержней 2. Модель втулки 4 и фланца 8 делают разъёмными, чтобы их можно было извлечь из формовочной смеси в процессе разборки опоки и извлечения модели. Средняя опока 10 обеспечивает изготовление кольцевого углубления шкива.

5.1.2. Литьё в металлические формы.

Литьё в металлические формы (кокиль) имеет преимущества перед литьём в песчаные формы: снижается себестоимость процесса литья и трудоёмкость механической обработки литых заготовок; повышаются механические свойства сплавов и производительность труда. Применяется данный метод в основном в

серийном и крупносерийном производстве. Недостатком данного метода является высокая трудоёмкость изготовления металлической формы.

На Рис5.3 приведена конструкция кокиля, состоящая из двух половин (1 и 4). Рабочая полость(10) имитирует внешние обводы литой заготовки, а песчаные стержни (5) внутренние полости и отверстия.

Аналогично, как и в песчаных формах, в кокиле предусматривают каналы для литниковой системы (8) , выпоры, для удаления газов. Для координации двух половин кокиля относительно друг друга устанавливают штыри (15 и 3), которые входят в направляющие отверстия второй половины кокиля. Полученная литая заготовка выталкивается из кокиляРис.5.3 толкателями через отверстия (9). На рабочем столе кокиль крепят приливами (7). Кокиль может выдерживать большее число заливок, в зависимости от температуры заливаемого сплава. Конструкция литой детали должна иметь относительно простую форму, позволяющую производить разъединение двух половин кокиля после отвердения металла литой заготовки. В противном случае в кокиле необходимо предусматривать место для установки дополнительных песчаных стержней, формирующих сложную поверхность.

5.1.3. . Литьё по выплавляемым моделям.

Этот метод позволяет получать отливки по разовым моделям (выплавляемым, выжигаемым, растворимым) в многослойных, неразъёмных, огнеупорных формах. Детали, получаемые этим способом, могут не требовать последующей механическойобработки, иметь очень сложную конфигурацию и высокое качество поверхности. Метод достаточно трудоёмкий и его целесообразно применять при изготовлении деталей со сложной и трудоёмкой механической обработкой, при использовании труднообрабатываемых материалов. Суть метода заключается в следующем. Для получения модели по чертежу отливки рис.5.4а изготавливают металлическую или пластмассовую пресс форму Рис.5.4.б, как правило, разъёмную, с каналами для литниковой системы. Расплавленный в печи Рис.5.4 в легкоплавкий сплав, состоящий из 50% парафина и 50% стеарина, заливают в пресс- форму Рис.5.4 г.

Рис.5.4 .

Затвердевшую модель Рис.4.4.д извлекают из пресс формы и собирают в блок Рис.5.4е состоящий из нескольких моделей соединённых общей литниковой системой.

Собранный блок погружают в огнеупорную суспензию, посыпают сухим песком и сушат на воздухе

Операция повторяется несколько раз пока не получат форму толщиной 5-8 мм. Рис.5.4.ж. Парафиновую модель, из полученного блока, выплавляют горячим воздухом при 120-150 0 С, паром или горячей водой. Полученную таким образом форму прокаливают, при этом она превращается в прочную керамическую оболочку. На рис.5.4. представлена технологическая последовательность изготовления литейной формы.

Форму заливают расплавленным металлом Рис.5.4.з и после отвердевания отливки выбивают её из формы, разрушая керамическую оболочку. Для полной очистки от керамической формы отливки обрабатывают щелочным раствором и промывают в горячей воде.

Отливка представляет собой заготовку, получаемую заливкой расплавленного металла, пластмассы, керамических материалов и др. в литейную форму. После затвердевания отливка сохраняет конфигурацию полости формы. Методом литья можно изготовлять изделия сложной конфигурации, которые другими видами обработки - ковкой, штамповкой, сваркой - получить трудно или невозможно.

Литье является одним из экономичных способов получения заготовок и деталей сложной формы, больших и малых размеров.

Технологический процесс получения отливки нз металла состоит из следующих основных операций:

1) изготовление литейной формы;

плавка металла;

заливка металла в форму;

затвердевание металла и охлаждение отливки;

термическая обработка отливки;

контроль качества отливки;

сдача отливки на механическую обработку.

Каждая из перечисленных операций носит сложный и многопереходный характер. Выполнение каждой операции должно обеспечить высокий уровень качества отливки по всем показателям, включая точность размеров и чистоту поверхности, благоприятную структуру металла, а также отсутствие наружных и внутренних литейных и металлургических дефектов.

В литейном производстве для получения металлических отливок применяют более 50 видов литья, которые отличаются друг от друга по материалу литейной формы, по способу подачи в нее заливаемого металла, по точности размеров, по чистоте поверхности отливок, по производительности и степени сложности технологического процесса.

Литейная форма представляет собой устройство, предназначенное для заливки металла и образования отливки (рис. 3.1). Она состоит из рабочей полости (8) и литниковой системы. На рис. 3.1 литейная форма разделена на верхнюю и нижнюю полуформы. В рабочей полости непосредственно формируется тело заготовки, поэтому ее конфигурация и размеры должны соответствовать очертаниям и размерам изготовляемой отливки. При этом необходимо учитывать то, что размеры рабочей полости должны превышать размеры отливки на величину литейной усадки металла. В свою очередь, размеры отливки должны быть больше размеров детали на величину снимаемого при механической обработке технологического припуска. Таким образом, окончательные размеры рабочей полости литейной формы включают в себя соответствующие размеры деталей, припуски на механическую обработку и на литейную усадку металла.

Внутри некоторых отливок, а также на их наружной поверхности могут быть различные отверстия, полости и выемки. Для их выполнения при сборке формы в ней устанавливают соответствующие керамические или металлические элементы, нашваемые стержнями (7). Стержни удаляются из отливки при выбивке, оставляя в ней после себя необходимые отверстия или углубления.

Рисунок 3.1 - Схема устройства литейной формы

1 - чаша (воронка) 2 - стояк. 3 - дроссель, 4 - шлакоуловитель, 5 - питатель, 6 - боковая прибыль, 7 - стержень, 8 - рабочая полость

Литниковая система служит для подвода металла в рабочую полость и питания отливки в процессе кристаллизации. Она включает в себя чашу (воронку) (1), стояк (2), дроссель (3), регулирующий скорость заливки и предотвращающий подсос воздуха в стояк, шлакоуловитель (4), расположенный в верхней полуформе для задержания неметаллических включений, питатель (5), подающий металл в рабочую полость непосредственно или, как в данном случае, через боковую прибыль (6). Прибыль питает тело отливки при остывании и кристаллизации металла и предотвращения образования в ней усадочных раковин. Прибыли могут быть верхнего или бокового расположения.

В литейном производстве сложились две группы видов литья: литье в песчано-глинистые формы и специальные виды литья.

Литье в песчано-глинистые формы является наиболее простым и распространенным способом получения литых заготовок. Каждая форма используется для получения одной отливки. Для изготовления таких форм материалами служат формовочные смеси, состоящие из песчаной основы, в которую в качестве связующих материалов добавляются определенные количества глины и воды.

Кроме того, в смесь вводятся противопригарные добавки в виде молотого каменного угля, маршаллита (пылевидного кварца), мазута и другие вещества, способствующие улучшению качества отливки (древесные опилки, сульфатно- спиртовая барда).

Материалами для изготовления стержней служат стержневые смеси, состоящие в основном из песка, связанного специальными веществами - крепителями (льняное масло, сульфатная барда, декстрин, канифоль и т. д.).

Литейная форма обычно состоит из порознь изготовляемых ручным или машинным способом двух полуформ: нижней и верхней. Каждая из полу форм изготовляется в специальных металлических ящиках без доньев и крышек, называемых опоками. При сборке формы опоки устанавливаются друг на друга и скрепляются.

В набитых формовочной смесью опоках рабочие полости для отливки получают при помощи половинок разъемной модели, форма и размеры которой соответствуют форме и расчетным размерам рабочей полости. Сборка литейной формы из полуформ - опок - производится после извлечения половинок моделей и установки стержней в нижней полуформе. Стержни изготовляются в специальных приспособлениях - стержневых ящиках - и проходят обязательную сушку.

Собранная форма, состоящая из скрепленных опок, с помощью специального ковша заливается через литниковую систему и остается на месте заливки до завершения кристаллизации и охлаждения тела отливки. Затем опоки раскрепляются, и на специальной установке производится выбивка отливки из формы. Затем производится обрубка и очистка отливки от литниковой системы с прибылями, удаляются остатки формовочной и стержневой смесей, и осуществляется очистка поверхности отливки от различных дефектов. После этого отливка подвергается термической обработке, имеющей целью устранить грубо зернистую, дендритную структуру металла, литейные напряжения и подготовить металл отливки к механической обработке.

Недостатками литья в песчано-глинистые формы являются: низкая точность размеров и чистоты поверхности, приводящих к большим припускам на механическую обработку, а также невысокая производительность и плохие санитарно-гигиенические условия труда из-за большой запыленности и шума на рабочих местах.

Наиболее распространенными специальными видами литья являются:

литье в кокиль;

центробежное литье;

литье под давлением;

литье в оболочковые формы;

литье по выплавляемым моделям.

Литье в кокиль - способ получения отливок в металлических формах - кокилях. Эти формы изготовляются из чугуна или стали. Заполнение формы сплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия. Основными преимуществами литья в кокиль являются: исключается процесс формовки, обеспечиваются благоприятные условия охлаждения, простота удаления отливок из формы, высокие точность размеров и чистота поверхности отливки, а также мелкое зерно металла отливки, что снижает металлоемкость изделий и повышает прочность металла

Перспективно применение податливых металлических форм, изготовляемых из пакетов листовой стали, а также тонкостенных водоохлаждаемых форм, в которых рабочая полость изготовляется в виде сменной штамповки.

При кокильном литье тонкостенных корпусных деталей из алюминиевых и магниевых сплавов применяют вакуумное отсасывание. Для получения крупногабаритных тонкостенных отливок применяют так называемый метод «книжной» формовки, когда заливка производится в открытую форму с последующим выжиманием при смыкании полуформ.

Литьем в кокиль получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых, медных, магниевых и других сплавов.

На автоматических линиях в металлических кокилях получают отливки чугунных станин и подшипниковых щитов для электрических машин. Кокиля для заливки подшипииковых щитов состоят из двух водоохлаждаемых половин с вертикальной плоскостью разъема.

Для отливки станин электродвигателей с высотой оси вращения 112 мм используют облицовочные кокиля. Способ литья в облицованный кокиль заключается в том, что на рабочую поверхность кокиля, предварительно нагретую до 200°С, наносится слой одноразовой песчано-смоляной облицовки толщиной 4...8 мм на термореактивном связующем. В отдельных зонах кокиля толщина облицовки может быть большей или меньшей в зависимости от условий охлаждения различных частей отливок.

Литье в облицованный кокиль по сравнению с литьем в чистым (необлицован- ный) кокиль имеег следующие преимущества:

Повышенную стойкость кокилей (до 30000 заливов);

Исключение из технологического процесса операций отжига отливок;

Упрощенную конструкцию кокиля (его можно изготовлять с литыми рабочими гнездами, не требующими механической обработки, что снижает стоимость кокиля);

Возможность получения отливок с выступающими частями и глубокими полостями;

Возможность получения точных отливок любой конфигурации;

Получение оптимальных условий затвердевания отливок.

Центробежное литье - литье в быстровращающиеся металлические формы, при котором расплавленный металл, подвергаясь действию центробежных сил, отбрасывается к стенкам формы и затвердевает, образуя отливку. Таким способом отливаются короткие (рис. 3.2, а) или длинные (рис. 3.2, б) тела вращения. Этот способ литья широко используется в промышленности, особенно для получения пустотелых отливок со свободной поверхностью чугунных и стальных труб, колец, втулок, обечаек и т. п. с точностью по 12-му квалитету. Металлические формы устанавливают на литейных центробежных машинах. В зависимости от положения оси вращения форм различают горизонтальные и вертикальные машины. Отливки, получаемые центробежным литьем, обладают повышенной плотностью во внешнем слое. Преимущества центробежного литья те же, что и при кокильном литье, однако качество внутренней поверхности вследствие усадочных явлений хуже наружной. Для получения внутренней полости в цилиндрических отливках не требуются стержни, что позволяет экономить ресурсозатраты на их изготовление.

а - короткие тела вращения, б - длинные тела вращения, 1 - форма, 2 - желоб

Рисунок 3 2- Схема центробежного литья

Литье под давлением можно разделить на два вида:

1) литье под давлением металлов;

литье под давлением полимерных материалов.

Литье под давлением металлов - способ получения отливок из сплавов цветных металлов и сталей некоторых марок, когда жидкий расплав вводится в замкнутую металлическую пресс-форму под значительным давлением (30...100 МПа) и кристаллизуется, оставаясь под давлением (рис. 3.3). Это позволяет максимально приблизить размеры и форму отливки к размерам и форме готовой детали, что позволяет уменьшить или исключить их последующую механическую обработку. Прочность отливок, изготовленных этим способом, на 30 % выше прочности отливок, изготовленных литьем в земляные формы.

а - подача металла в предкамеру, б - нагнетание металла в рабочую полость, в - выбивка oтливки, 1 - камера, 2 - поршень. 3 - пресс-форма

Рисунок 3.3 - Cxeмa литья под давлением

На точность отливок при литье под давлением могут оказывать влияние следующие факторы:

Размеры и сложность конструкции отливки;

Толщина стенок отливки;

Направление усадки металла;

Точность изготовления пресс-формы;

Степень износа пресс-формы.

Максимальная точность размеров достигается для тех элементов отливки, которые находятся в одной полуформе или образованы неподвижными частями формы. Точность размеров отливок в зависимости от конструкции пресс-форм допускается в пределах 0,03...0,18 мм.

Литье под давлением производят на литейных машинах с холодной и горячей камерами прессования. Литейные формы изготовляют из стали. В одной пресс-форме может располагаться несколько рабочих полостей, питаемых одновременно. Такие многогнездные формы позволяют получать за одну заливку более 20 отливок. Производительность литейных машин - до 600 заливок (запрессовок) в 1 ч. Литье под давлением является самым высококачественным, точным, чистым и производительным видом литья. Этот способ широко применяют в серийном и массовом производстве при изготовлении небольших деталей сложной формы. Современные автоматы для литья под давлением отливок массой до 300 г обеспечивают производительность до 6000...8000 отливок в час. Шероховатость поверхности заготовок R a = 2,5...0,32 мкм.

Стальные пресс-формы для литья под давлением имеют сложную конфигурацию и высокую стоимость.

Раньше при литье под давлением корпусов электрических машин из алюминиевых сплавов применялись пресс-формы с вертикальным разъемом. В них корпус электрической машины, коробка выводов и лапы отливались отдельно, а затем, после механической обработки, собирались.

В настоящее время применяют пресс-формы, имеющие четыре горизонтальных разъема (рис. 3.4). В них отливают корпус вместе с лапами и коробкой выводов. Расположение ребер получают вертикально-горизонтальное.

Четырехразъемная пресс- форма позволяет отливать корпуса с более тонкими и высокими ребрами, что улучшает охлаждение машины и уменьшает массу корпуса на 15... 25%.

Большинство отливок из алюминия для электрических машин малой мощности производят литьем под давлением на специальных литейных машинах (рис. 3.5, а).

Рисунок 3.4 – Эскиз четырехразъемной пресс-формы

5 – неподвижная плита, 6 – цилиндр, 7 – тигель, 8 – поршень,

9 – жидкий металл, 10,11 – части пресс-формы, 12 – полость

Рисунок 3.5 – Машина для литья под давлением (а) и схема литья (б)

Литью поддаются все металлы. Но не все металлы обладают одинаковыми литейными свойствами, в частности жидкотекучестью – способностью заполнять литейную форму любой конфигурации. Литейные свойства зависят главным образом от химического состава и структуры металла. Важное значение имеет температура плавления. Металлы с низкой температурой плавления легко поддаются промышленному литью. Из обычных металлов наивысшая температура плавления у стали. Металлы делятся на черные и цветные. Черные металлы – это сталь, ковкий чугун и литейный чугун. К цветным относятся все другие металлы, не содержащие в значительных количествах железа. Для литья применяются, в частности, сплавы на основе меди, никеля, алюминия, магния, свинца и цинка. СПЛАВЫ.

Черные металлы.

Стали.

Различают пять классов сталей для промышленного литья: 1) малоуглеродистые (с содержанием углерода менее 0,2%); 2) среднеуглеродистые (0,2–0,5% углерода); 3) высокоуглеродистые (более 0,5% углерода); 4) низколегированные (менее 8% легирующих элементов) и 5) высоколегированные (более 8% легирующих элементов). На среднеуглеродистые стали приходится основная масса отливок из черных металлов; такие отливки представляют собой, как правило, промышленную продукцию стандартизованной сортности. Различные виды легированных сталей разработаны для достижения высокой прочности, пластичности, ударной вязкости, коррозионной стойкости, теплостойкости и усталостной прочности. Литые стали по своим свойствам близки к кованой стали. Предел прочности такой стали при растяжении составляет от 400 до 1500 МПа. Масса отливок может изменяться в широком диапазоне – от 100 г до 200 т и более, толщина в сечении – от 5 мм до 1,5 м. Длина отливки может превышать 30 м. Сталь – универсальный материал для литья. Благодаря своей высокой прочности и пластичности она представляет собой превосходный материал для машиностроения.

Ковкий чугун.

Существуют два основных класса ковкого чугуна: обычного качества и перлитный. Делают отливки также из некоторых легированных ковких чугунов. Предел прочности при растяжении ковкого чугуна составляет 250–550 МПа. Благодаря своей усталостной прочности, высокой жесткости и хорошей обрабатываемости он идеален для станкостроения и многих других массовых производств. Масса отливок составляет от 100 г до нескольких сот килограммов, толщина в сечении обычно не более 5 см.

Литейный чугун.

К литейным чугунам относят широкий диапазон сплавов железа с углеродом и кремнием, содержащих 2–4% углерода. Для литья применяются четыре основных вида литейного чугуна: серый, белый, отбеленный и половинчатый. Предел прочности при растяжении литейного чугуна составляет 140–420 МПа, а некоторых легированных литейных чугунов – до 550 МПа. Для литейного чугуна характерны низкая пластичность и низкая ударная прочность; у конструкторов он считается хрупким материалом. Масса отливок – от 100 г до нескольких тонн. Отливки из литейного чугуна применяются практически во всех отраслях промышленности. Их себестоимость невелика, и они легко обрабатываются резанием.

Чугун с шаровидным графитом.

Шаровидные включения графита придают чугуну пластичность и другие свойства, выгодно отличающие его от серого чугуна. Шаровидность включений графита достигается путем обработки чугуна магнием или церием непосредственно перед литьем. Предел прочности при растяжении чугуна с шаровидным графитом составляет 400–850 МПа, пластичность – от 20 до 1%. Правда, для чугуна с шаровидным графитом характерна низкая ударная прочность образца с надрезом. Отливки могут иметь как большую, так и малую толщину в сечении, масса – от 0,5 кг до нескольких тонн.

Цветные металлы.

Медь, латунь и бронза.

Существует много различных сплавов на основе меди, пригодных для литья. Медь применяется в тех случаях, когда необходима высокая тепло- и электропроводность. Латунь (сплав меди с цинком) используется, когда желателен недорогостоящий, умеренно коррозионностойкий материал для изготовления разнообразных изделий общего назначения. Предел прочности при растяжении литой латуни составляет 180–300 МПа. Бронза (сплав меди с оловом, к которому могут добавляться цинк и никель) применяется в тех случаях, когда требуется повышенная прочность. Предел прочности при растяжении литых бронз составляет 250–850 МПа.

Никель.

Медно-никелевые сплавы (типа монель-металла) обладают высокой коррозионной стойкостью. Для сплавов никеля с хромом (типа инконеля и нихрома) характерно высокое тепловое сопротивление. Молибдено-никелевые сплавы отличаются высокой стойкостью к соляной кислоте и окисляющим кислотам при повышенных температурах.

Алюминий.

Литые изделия из алюминиевых сплавов в последнее время применяются все шире благодаря их легкости и прочности. Такие сплавы обладают довольно высокой коррозионной стойкостью, хорошей тепло- и электропроводностью. Прочность на растяжение литых алюминиевых сплавов находится в пределах от 150 до 350 МПа.

Магний.

Магниевые сплавы применяются там, где на первом месте стоит требование легкости. Предел прочности при растяжении литых магниевых сплавов составляет 170–260 МПа.

Титан.

Титан – прочный и легкий материал – плавится в вакууме и отливается в графитовые формы. Дело том, что в процессе охлаждения поверхность титана может загрязняться вследствие реакции с материалом формы. Поэтому титан, отлитый в какие-либо другие формы, кроме форм из механически обработанного и прессованного порошкового графита, оказывается сильно загрязненным с поверхности, что проявляется в повышенной твердости и низкой пластичности при изгибе. Титановое литье применяется главным образом в авиакосмической промышленности. Прочность на растяжение литого титана – свыше 1000 МПа при относительном удлинении 5%.

Редкие и драгоценные металлы.

Отливки из золота, серебра, платины и редких металлов применяются в ювелирном деле, зубоврачебной технике (коронки, пломбы), литьем изготавливаются также некоторые детали электронных компонентов.

СПОСОБЫ ЛИТЬЯ

Основные способы литья таковы: статическая заливка, литье под давлением, центробежное литье и вакуумная заливка.

Статическая заливка.

Чаще всего применяется статическая заливка, т.е. заливка в неподвижную форму. При таком способе расплавленный металл (или неметалл – пластмасса, стекло, керамическая суспензия) просто заливается в полость неподвижной формы до ее заполнения и выдерживается до затвердевания.

Литье под давлением.

Литейная машина заполняет металлическую (стальную) литейную форму (которая обычно называется пресс-формой и может быть многогнездной) расплавленным металлом под давлением от 7 до 700 МПа. Преимущества такого метода – высокая производительность, высокое качество поверхности, точные размеры литого изделия и минимальная потребность в его механической обработке. Типичные металлы для литья под давлением – сплавы на основе цинка, алюминия, меди и олова-свинца. Благодаря низкой температуре плавления такие сплавы весьма технологичны и позволяют обеспечить малые допуски на размеры и превосходные характеристики отливок.

Сложность конфигурации отливок в случае литья под давлением ограничивается тем, что при отделении от пресс-формы отливка может быть повреждена. Кроме того, несколько ограничена толщина изделий; более предпочтительны изделия тонкого сечения, в котором расплав быстро и равномерно затвердевает.

Литейные машины для литья под давлением бывают двух типов – с холодной и горячей камерой прессования. Машины с горячей камерой прессования применяются в основном для сплавов на основе цинка. Горячая камера прессования погружена в расплавленный металл; под небольшим давлением сжатого воздуха или под действием поршня жидкий металл вытесняется из горячей камеры прессования в пресс-форму. В литейных машинах с холодной камерой прессования расплавленный алюминиевый, магниевый или медный сплав заполняет пресс-форму под давлением от 35 до 700 МПа.

Отливки, полученные литьем под давлением, применяются во многих бытовых приборах (пылесосах, стиральных машинах, телефонных аппаратах, светильниках, пишущих машинках) и очень широко – в автомобильной промышленности и в производстве компьютеров. Отливки могут быть массой от нескольких десятков граммов до 50 кг и более.

Центробежное литье.

При центробежном литье расплавленный металл заливается в песочную или металлическую литейную форму, вращающуюся вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Под действием центробежных сил металл отбрасывается от центрального литника к периферии формы, заполняя ее полости, и затвердевает, образуя отливку. Центробежное литье экономично и для некоторых видов изделий (осесимметричных типа труб, колец, обечаек и т.д.) более подходит, нежели статическая заливка.

Вакуумная заливка.

Такие металлы, как титан, легированные стали и жаропрочные сплавы, плавятся в вакууме и заливаются в многократные формы, например графитовые, помещенные в вакуум. При этом методе значительно снижается содержание газов в металле. Слитки и отливки, получаемые вакуумной заливкой, весят не более нескольких сот килограммов. В редких случаях большие количества стали (100 т и более), выплавленной по обычной технологии, разливают в вакуумной камере в установленные в ней изложницы или литейные ковши для дальнейшего литья на воздухе. Металлургические вакуумные камеры больших размеров откачиваются многонасосными системами. Получаемая таким методом сталь используется для изготовления специальных изделий ковкой или литьем; этот процесс называется вакуумной дегазацией.

ЛИТЕЙНЫЕ ФОРМЫ

Литейные формы делятся на многократные и разовые (песочные). Многократные формы бывают металлические (изложницы и кокили), либо графитовые или керамические огнеупорные.

Многократные формы.

Металлические формы (изложницы и кокили) для стали делают обычно из чугуна, иногда – из жаростойкой стали. Для литья цветных металлов, таких, как латунь, цинк и алюминий, пользуются чугунными, медными и латунными формами.

Изложницы.

Это наиболее распространенный вид многократных литейных форм. Чаще всего изложницы делают из чугуна и применяют для получения стальных слитков на начальном этапе производства кованой или катаной стали. Изложницы относятся к открытым литейным формам, поскольку металл заполняет их сверху самотеком. Применяются также «сквозные» изложницы, открытые и сверху, и снизу. Высота изложниц может составлять 1–4,5 м, диаметр – от 0,3 до 3 м. Толщина стенки отливки зависит от размеров изложницы. Конфигурация может быть разной – от круглой до прямоугольной. Полость изложницы несколько расширяется кверху, что необходимо для извлечения слитка.

Готовая к заливке изложница располагается на толстой чугунной плите. Как правило, изложницы заполняются сверху. Стенки полости изложницы должны быть гладкими и чистыми; при заливке нужно следить за тем, чтобы металл не расплескивался и не разбрызгивался на стенки. Залитый металл затвердевает в изложнице, после чего слиток вынимают («раздевают слиток»). После остывания изложницы ее чистят изнутри, опрыскивают формовочной краской и используют снова. Одна изложница позволяет получить 70–100 слитков. Для дальнейшей обработки ковкой или прокаткой слиток нагревают до высокой температуры.

Кокили.

Это закрытые металлические литейные формы с внутренней полостью, соответствующей конфигурации изделия, и литниковой (заливочной) системой, которые выполняются путем механической обработки в чугунном, бронзовом, алюминиевом или стальном блоке. Кокиль состоит из двух или большего числа деталей, после соединения которых остается лишь небольшое отверстие сверху для заливки расплавленного металла. Для формования внутренних полостей в кокиль закладываются гипсовые, песочные, стеклянные, металлические или керамические «стержни». Литьем в кокиль получают отливки из сплавов на основе алюминия, меди, цинка, магния, олова и свинца.

Литье в кокиль применяется лишь в тех случаях, когда требуется получить не менее 1000 отливок. Ресурс кокиля достигает нескольких сотен тысяч отливок. Кокиль идет в скрап, когда (из-за постепенного выгорания от расплавленного металла) начинает недопустимо снижаться качество поверхности отливок и перестают выдерживаться расчетные допуски на их размеры.

Графитовые и огнеупорные формы.

Такие формы состоят из двух или большего числа деталей, при соединении которых образуется требуемая полость. Форма может иметь вертикальную, горизонтальную или наклонную поверхность разъема либо разбираться на отдельные блоки; это облегчает извлечение отливки. После извлечения форму можно собрать и использовать снова. Графитовые формы допускают сотни отливок, керамические – лишь несколько.

Графитовые многократные формы можно изготовить путем механической обработки графита, а керамические легко формуются, так что они значительно дешевле металлических форм. Графитовые и огнеупорные формы могут использоваться для повторного литья в случае неудовлетворительных отливок, полученных литьем в кокиль.

Огнеупорные формы делают из фарфоровой глины (каолина) и других высокоогнеупорных материалов. При этом используются модели из легкообрабатываемых металлов или из пластмассы. Порошкообразный или гранулированный огнеупор замешивают с глиной на воде, полученную смесь формуют и заготовку литейной формы обжигают так же, как кирпичи или посуду.

Разовые формы.

На песочные литейные формы налагается гораздо меньше всяческих ограничений, нежели на любые другие. Они пригодны для получения отливок любых размеров, любой конфигурации, из любого сплава; они наименее требовательны к конструкции изделия. Песочные формы изготавливают из пластичного огнеупорного материала (обычно кремнистого песка), придавая ему нужную конфигурацию, чтобы залитый металл по затвердевании сохранил эту конфигурацию и мог быть отделен от формы.

Формовочную смесь получают, замешивая на воде в специальной машине песок с глиной и органическими связующими.

При изготовлении песчаной формы в ней предусматривают верхнее литниковое отверстие с «чашей» для заливки металла и внутреннюю литниковую систему каналов для питания отливки расплавленным металлом в процессе затвердевания, так как иначе из-за усадки при затвердевании (свойственной большинству металлов) в отливке могут образовываться пустоты (усадочные раковины).

Оболочковые формы.

Такие формы бывают двух типов: из материала с низкой температурой плавления (гипс) и из материала с высокой температурой плавления (на основе тонкого порошка диоксида кремния). Гипсовую оболочковую форму изготавливают, замешивая на воде гипсовый материал с крепителем (быстроотверждающимся полимером) до тонкой консистенции и облицовывая такой смесью модель отливки. После того как материал формы затвердеет, ее разрезают, обрабатывают и сушат, а затем «спаривают» две полуформы и заливают. Такой способ литья пригоден только для цветных металлов.

Литье по восковым выплавляемым моделям.

Такой метод литья применяется для драгоценных металлов, стали и других сплавов с высокой температурой плавления. Сначала изготавливают пресс-форму, соответствующую отливаемой детали. Ее обычно выполняют из легкоплавкого металла или (механической обработкой) из латуни. Затем, заполняя пресс-форму парафином, пластмассой или ртутью (после этого замораживаемой), получают модель для одной отливки. Модель облицовывают огнеупорным материалом. Материал оболочковой формы получают из тонкого порошка огнеупора (например, пудры диоксида кремния) и жидкого связующего. Слой огнеупорной облицовки уплотняют вибрацией. После того как он затвердеет, форму нагревают, парафиновая или пластмассовая модель расплавляется и жидкость вытекает из формы. Затем форму обжигают для удаления газов и в нагретом состоянии заливают жидким металлом, который поступает самотеком, под давлением сжатого воздуха или под действием центробежных сил (в машине для центробежного литья).

Керамические формы.

Керамические формы изготавливаются из фарфоровой глины, силлиманита, муллита (алюмосиликаты) или других высокоогнеупорных материалов. При изготовлении таких форм обычно пользуются моделями из легкообрабатываемых металлов или из пластмассы. Порошкообразные или гранулированные огнеупорные материалы смешивают с жидким связующим (этилсиликатом) до студнеподобной консистенции. Только что изготовленная форма пластична, так что модель можно извлечь из нее, не повредив полость формы. Затем форму обжигают при высокой температуре и заливают расплавом нужного металла – стали, твердого хрупкого сплава, сплава на основе редких металлов и пр. Такой метод позволяет изготавливать формы любых типов и пригоден как для мелкосерийного, так и для крупносерийного производства.