Что такое литьё?
Литьё – это один из самых известных способов получения материалов с заданными геометрической формой, свойствами и другими параметрами. Исторически литьё является одним из самых древнейших ремёсел, освоенных человеком. Первым литейным материалом была бронза – отливка в каменные формы. Позднее с развитием техники и технологий были освоены новые методы и материалы (чугун, сталь и др.).
Литьё в разовые песчаные формы
Отливка получается в результате заполнения расплавленным материалом полости литейной формы, изготовленной из кварцевого песка, глины и специальных добавок.
Глина является связующим и при оптимальном содержании воды (4–5%) придает формовочной смеси необходимую прочность и пластичность. Песок увеличивает пористость и, следовательно, газопроницаемость формовочной смеси. Кроме того, в нее вводят противопригарные добавки (каменноугольную пыль, графит), защитные присадочные материалы (борную кислоту, серный цвет) и другие ингредиенты. После затвердевания и охлаждения литейного материала форму разрушают для извлечения отливки.
Способ позволяет получать отливки плотной структуры без газовой пористости, раковин, трещин и остаточных напряжений. Однако они имеют невысокую точность, чистоту поверхности и, следовательно, большие припуски на механическую обработку. Обрабатываемые материалы: чугуны, углеродистые и легированные стали, алюминиевые и медные сплавы.
Формовочной смесью сначала заполняют нижнюю полуформу с размещенной там моделью до плоскости разъема. Далее заполняют вторую полуформу и выполняют в ней литниковую систему для заливки расплавленного металла. Кроме литниковой системы, которая служит также для улавливания шлаков, при формовке выполняют также газоотвродные каналы и прибыли (прибыли предназначены для компенсации усадки металла и предотвращения появления газовых раковин).
Кокильное литьё
В связи с разнообразием отливок кокили имеют различные конструкции. Они бывают разъемные и вытряхные. Разъем может быть плоским и криволинейным, горизонтальным и вертикальным, с металлическими и песчаными стержнями. Вытряхные кокили изготовляют для получения отливок без выступов и углублений на наружной поверхности. Кокили со стержнями и комбинированным разъемом применяются для изготовления сложных отливок. Толщина стенок формы зависит от толщины стенок отливок (примерно от 1,5 до 3 их толщины) и в свою очередь влияет на скорость охлаждения отливок и их структуру, а также на стойкость кокиля.
1 и 2 – половины кокиля; 3 – гнёзда; 4 – литниковая система
Для удаления отливок из кокиля предусматриваются выталкиватели, так как из-за усадки отливки заклиниваются в форме. В них трудно получить сложные тонкостенные отливки из стали и других сплавов с высокой усадкой из-за практически полного отсутствия податливости формы.
Отливки, затвердевшие в металлической форме, имеют более плотную мелкозернистую структуру и более высокие механические свойства. Недостатками кокильного литья являются невысокая стойкость форм, высокая стоимость их изготовления при отливке чугунных и стальных деталей, отбел и неоднородность структуры металла по сечению отливки.
Большое влияние на свойства чугуна и других металлов оказывает температура заливки кокиля. С повышением температуры заливки увеличивается жидкотекучесть металла, лучше заполняются тонкостенные формы, но снижается стойкость кокиля, усиливаются его коробление и разгар.
Центробежное литьё
Наиболее распространенным является способ литья пустотелых цилиндрических отливок в металлические формы с горизонтальной осью вращения. На рисунке 5 отливка 4 формируется в поле центробежных сил со свободной цилиндрической поверхностью, а формообразующей поверхностью служит внутренняя поверхность изложницы. Расплав 1 из ковша 3 заливают во вращающуюся форму 5 через заливочный желоб 2. Расплав растекается по внутренней поверхности формы, образуя под действием поля центробежных сил пустотелый цилиндр. После затвердевания металла и остановки формы отливку 4 извлекают.
1 – расплав; 2 – заливочный желоб; 3 – ковш; 4 – отливка; 5 – форма
Рисунок 5 Схема получения отливки при вращении формы вокруг горизонтальной оси
При получении отливок со свободной параболической поверхностью при вращении формы вокруг вертикальной оси (рисунок 6) расплав из ковша 1 заливают в форму 2, закрепленную на шпинделе 3, приводимом во вращение электродвигателем 4. Расплав 5 под действием центробежных и гравитационных сил распределяется по стенкам формы и затвердевает, после чего вращение формы прекращают и извлекают из нее затвердевшую отливку 6.
1 – ковш; 2 – форма; 3 – шпиндель; 4 – электродвигатель; 5 – расплав;
6 – отливка
Рисунок 6 Схема получения отливок при вращении формы вокруг вертикальной оси:
Отливки с внутренней поверхностью сложной конфигурации получают с использованием стержней (рисунок 7, а) в формах с вертикальной осью вращения. Так отливают, например, венцы зубчатых колес. Расплав из ковша через заливочное отверстие и стояк 1 поступает в центральную полость формы 2, выполненную стержнями 3 и 4, а затем под действием центробежных сил через щелевые питатели – в рабочую полость формы. При этом избыток металла в центральной полости формы 5 выполняет роль прибыли, обеспечивая питание отливки при затвердевании.
Мелкие фасонные отливки можно получать центробежным литьем в песчаные формы (рисунок 7, б). Части формы 1 и 2 устанавливают на центробежный стол и крепят на нем. При необходимости используют стержни 4. Рабочие полости 3 должны располагаться симметрично относительно оси вращения для обеспечения балансировки формы. Расплав заливают через центральный стояк, из которого по радиальным каналам он попадает в полости формы.
а – венец шестерни: 1 – стояк; 2 – центральная полость формы; 3 и 4 – стержни; 5 – прибыль; б – мелкие фасонные отливки: 1 – нижняя полуформа; 2 – верхняя полуформа; 3 – рабочая поверхность формы; 4 – стержень
Рисунок 7 Схема получения фасонных отливок
Неравномерность охлаждения, особенно толстостенных отливок, приводит к возникновению конвективных потоков в расплаве: охлажденный и более плотный расплав перемещается от свободной поверхности внутрь затвердевающей отливки, а горячий и менее плотный – наружу. Поэтому данные потоки в расплаве циркулируют в радиальном направлении
В условиях центробежного литья это явление наблюдается даже при небольшом различии температур и плотностей металла, так как действующие в этой системе силы возрастают пропорционально величине гравитационного коэффициента. Это способствует направленному затвердеванию отливки в радиальном направлении, которое зависит от угловой скорости вращения формы.
Данный способ литья показывает высокую эффективность при получении пустотелых цилиндрических отливок с различными размерами и массой (длиной до нескольких метров и массой до нескольких тонн): труб разного назначения из чугуна, стали, цветных и специальных сплавов; втулок и гильз для стационарных и транспортных дизелей; колец подшипников качения и др. Большое распространение получило центробежное литье для изготовления биметаллических изделий, изделий из сплавов с низкой жидкотекучестью и высоким поверхностным натяжением, при необходимости получения тонкостенных отливок со сложной геометрией и микрорельефом поверхности. К ним относятся, например, турбинные диски с лопатками, отливки художественного и ювелирного назначения.
Литьё под давлением
Машины для литья под давлением имеют или горячую, или холодную камеры прессования. На машинах с горячей камерой прессования (рисунок 9) камера прессования 2 расположена в обогреваемом тигле 1 с расплавленным металлом. При верхнем положении плунжера 3 металл через отверстие 4 заполняет камеру прессования. При движении плунжера вниз отверстие перекрывается, сплав под давлением 10…30 МПа заполняет полость пресс-формы 5. После затвердевания отливки плунжер возвращается в исходное положение, остатки расплавленного металла сливаются в камеру прессования, а отливка удаляется из пресс-формы выталкивателями 6. Получают отливки из цинковых и магниевых сплавов массой от нескольких граммов до 25 кг.
1 – чугунный тигель; 2 – отверстие, через которое металл поступает в прессовый стакан; 3 – прессующий поршень; 4 – цилиндр прессования; 5 – прессовый стакан; 6 – металлопровод; 7 – пресс-форма; 8 – мундштук
Рис. 9 Литье под давлением в машине с горячей камерой прессования
Расплавленный металл заливается в камеру прессования специальной машины (рисунок 10), а затем под действием прессующего поршня, перемещающегося в этой камере, через литниковые каналы заполняет с высокой скоростью полость формы. Затвердевание металла происходит под высоким давлением. По окончании затвердевания сначала извлекаются стержни 3, затем форма раскрывается и толкатель 4 удаляет отливку из пресс-формы. Скорость подачи жидкого металла в пресс-форму составляет примерно 0,5 м/с, а конечное давление на металл может составить от 40 до 100 МПа. Форма заполняется за десятые доли секунды, а особо тонкостенные отливки – за сотые. Это позволяет, несмотря на высокую скорость охлаждения металла в форме, изготавливать отливки с очень тонкими стенками. Такие машины применяют для изготовления отливок из медных, алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов массой до 45 кг.
а–заливка металла; б – удаление стержня; в – разъем пресс-формы; г – выталкивание отливки; 1 – камера прессования; 2 – прессующий поршень; 3 – металлический стержень; 4 – толкатель
Рисунок 10 Литье под давлением в машине с холодной камерой прессования,
К числу недостатков литья под давлением можно отнести: высокую стоимость пресс-форм, трудность получения отливок со сложными поверхностями, опасность возникновения трещин на отливках, появление в отливках воздушно-газовой пористости.
Одной из разновидностей рассматриваемой технологии является литье под низким давлением (рисунок 11). Тигель с металлом 5 герметически закрыт крышкой 2, в которую вмонтирован металлопровод 4. Металлопровод погружен в металл, почти до дна тигля. Песчаную форму устанавливают на крышке и соединяют с металлопроводом.
1 – песчаная форма; 2 – крышка; 3 – вентиль, регулирующий поступление газа в тигель; 4 – металл; 5 – тигель с жидким металлом
Рисунок 11 Литье под низким давлением
Воздух или инертный газ закачивается под давлением до 0,1 МПа в полость тигля и давит на зеркало жидкого металла. Под действием избыточного давления металл поступает в форму со скоростью, регулируемой давлением. По окончании заполнения формы и затвердевания отливки полость камеры соединяют с атмосферой и незатвердевший металл из металлопровода стекает в тигель.
Литьё по выплавляемым моделям
Литье по выплавляемым моделям, широко применяемое в машиностроении при изготовлении тонкостенных сложных по конфигурации отливок, является наиболее распространенным методом получения мелких художественных отливок.
На модельный блок наносят огнеупорную суспензию (рисунок 12, в), состоящую из связующего раствора (как правило, на основе этилсиликата) и огнеупорного порошка. Для укрепления суспензионного слоя его обсыпают кварцевым песком или крошкой другого огнеупорного материала
(рисунок 12, г), после чего просушивают. На блок наносят несколько слоев. Модель удаляют из керамической оболочки выплавлением, растворением или выжиганием (рисунок 12, д). Оболочку прокаливают для удаления остатков модельного состава и других органических веществ (рисунок 12, е). Если прочность оболочки недостаточна, ее перед прокаливанием заформовывают в огнеупорный наполнитель. После заливки и затвердевания металла блок очищают от огнеупорной оболочки, а отливки отделяют от литниковой системы (рисунок 12, ж, з).
Литьем по выплавляемым моделям изготавливают детали для приборостроительной, авиационной и другой отраслевой промышленности.