Металл занимает важное место в хозяйственной деятельности. Ежегодно человечество добывает и вырабатывает миллионы тонн металла и его сплавов. Существует много технологий металлопереработки, но наиболее часто используется литье. Определение литью дает ГОСТ 3.1109-82: это производство изделий из жидкого металла путем его заливки в предварительно подготовленные формы. Технологии литья металлов постоянно совершенствуются, повышается качество отливок, снижается себестоимость процесса.
Металл для литья
Для обработки металла методом литья важна его текучесть. В расплавленном виде жидкий металл или сплав должен легко перетекать из одной формы в другую, заполняя все выемки. Чем выше текучесть материала, тем тоньше и сложнее изделия из него можно отливать. Сплавы с низкой текучестью схватываются и затвердевают раньше, чем заполняется отливная форма. Показатель текучести металла зависит от температуры и давления, например, литая сталь становится текучей для литья под давлением 7500 кг/см². Хорошие показатели текучести у чугуна, меди, свинца. Именно эти материалы используются для отлива изделий в промышленном производстве и в кузницах.
Устаревшая технология литья
«Земляной» метод — самая простая и древняя технология литья. Суть метода заключается в том, что жидкий металл заливается в специальную форму, собранную из двух половинок. Нагревание металла до состояния текучести осуществляется в вагранках — печах для чугуна или в домнах — печах для стали. Для расплава материала также используются инвенторные, мартеновские и другие виды печей. Перед заливкой расплава формы наполняют формовочной смесью. Если в готовом изделии предусмотрены пустоты, то в этих местах устанавливаются стержни. Поверхности формы, с которыми контактирует жидкий металл, обрабатываются специальной краской, которая предотвращает химические реакции между формовочной смесью и расплавом.
Жидкий металл заливается в формы ковшом, если речь идет о кустарном литье, или конвейером. Расплав заполняет форму и остывая приобретает нужную конфигурацию. После полного остывания половинки формы разъединяются, с готового изделия удаляется окалина, остатки формовочной смеси.
Несмотря на то, что «земляной» метод литья имеет множество недостатков: низкая производительность, возможность отливки только простых форм, энергоемкость, вредность производства, именно этим способом были отлиты практически все советские танки времен ВОВ. В настоящее время «земляной» метод используется преимущественно в частных кузнях, изготавливающих простые изделия домашнего обихода. В промышленном производстве используются более совершенные литьевые технологии, позволяющие получать качественные и сложные по конфигурации изделия.
Современные технологии литья
Новые технологии позволяют создавать отливки, к которым предъявляют высокие требования по экологичности, толщине стенок, точности размеров. Основные требования к отливкам, независимо от технологии их изготовления, устанавливает ГОСТ Р 53464-2009.
Литье в ХТС
Другое название технологии — литье в кокиль. Технология похожа на традиционное «земляное литье. Для создания металлического изделия изготавливается кокиль — разборная форма. Но в отличие от устаревшего метода в кокиль заливают не расплав, холодно-твердеющую смесь (ХТС), не требующую предварительного нагрева в печах. В состав ХТС входят отвердители, поэтому залитая смесь набирает нужную прочность на воздухе в течение 10-20 минут. При изготовлении объемных металлических конструкций для ускорения твердения кокиль с залитой ХТС продувают струями воздуха.
После затвердевания ХТС кокиль раскрывается, а готовое изделие извлекается из него и отправляется на обжиг для удаления с поверхности карбидов. Кокиль можно использовать много раз, но его изготовление обходится недешево. Поэтому технология литья ХТС применяется при изготовлении серийных и крупносерийных изделий, у которых соотношение массы кокильной формы к массе самого изделия не превышает 3:1.
Литье ХТС используется для изготовления отливок из чугуна, стали, вольфрамовых, магниевых, алюминиевых сплавов. Технология позволяет получить отливки с гладкой или мелкозернистой поверхностью. По технологии литья ХТС изготавливает 45% металлических изделий и конструкций.
Достоинства:
- отливки 7-го класса точности по ГОСТ Р 53464-2009;
- высокое качество поверхности;
- отсутствие газовых дефектов;
- отсутствие мелких включений и засоров в отливке;
- высокая герметичность изделий;
- высокая производительность.
Недостатком технологии считается невозможность литья материалов с невысокими показателями текучести, например, некоторых марок стали.
Литье по газифицируемым моделям
По качеству получаемой отливки, энергозатратам и производительности этот способ считается оптимальным. Технология литья по газифицируемым моделям позволяет изготавливать металлические конструкции без ограничений по массе, объему или линейным размерам. Вместо формы или кокиля в этом случае используются модели из пенополистирола или другого синтетического материала. Перед заливкой металлического расплава модель под давлением 50 кПа обрабатывают мелкофракционной песчаной смесью. Горячий металл при заливке в модели газифицирует пенополистирол и заполняет образующиеся в нем пустоты. Выделяемые в ходе газификации летучие вещества отводятся специальной вакуумной системой. Расплавленный материал заполняет модель и принимает ее форму. Остывание расплава происходит в течение 5-7 минут. Остывшие изделия извлекаются и очищаются от антипригарного покрытия.
Литье по газифицируемым моделям может использоваться для стали марок: 25Л, 35Л, 45Л, 40Х9С2Л, 30ХНЛ, 35ХМЛ, 40Х24Н12СЛ, 20Х25Н19С2Л, 40Х23Н10СЛ, 110Г13Л и многих других. Способ подходит для литья чугуна марок: ВЧ40, ЧХ16М2, ЧХ28, СЧ15, СЧ18, ЧХ30, сплавов меди, бронзы, алюминия и пр. Точность полученных отливок в зависимости от размеров соответствует 6-10 классу по ГОСТ Р 53464-2009.
Достоинства:
- возможность изготовления деталей массой от 100 г до 10 тонн;
- низкая энергоемкость и себестоимость;
- не требуется сложная обработка готовых изделий;
- минимальная шероховатость поверхности;
- высокая скорость отливки при низкой трудоемкости.
Литье металла по газифицируемым моделям — высокотехнологичный способ изготовления деталей, которые требуют высокой точности. Именно этот метод литья используют в судостроении, авиастроении.
Литье под давлением
Технология ЛПД используется преимущественно для изготовления мелких и средних тонкостенных деталей для ПК, телефонов, бытовой техники. В России литье под давлением широко применяется в машиностроении, станкостроении. Масса отлитых изделий — от нескольких граммов до 50 кг. Для отливки используются формы из высокомарочной стали. Форма может иметь очень сложную конструкцию, в т. ч. многоступенчатую. Жидкий металл заливается в форму под давлением, которое создает мощное нагнетательное оборудование.
Метод литья под давлением используется для алюминиевых, медных, оловянно-свинцовых сплавов. Температура плавления у этих материалов относительно невысокая, поэтому способ считается высокопроизводительным и малозатратным.
Достоинства:
- низкая металлоемкость, экономный расход металла;
- высокое качество поверхности;
- отсутствие финишной обработки изделий.
Точность отливок ЛПД зависит от качества формы, мощности нагнетательного оборудования, физических свойств металла.
Литье по выплавляемым моделям
При использовании этой технологии заливка металла выполняется в формы из парафина или воска, которые помещаются в первичную заготовку. Горячий сплав растворяет парафин и заполняет объем первичной заготовки. Особенность этого метода заключается в том, что полученную конструкцию не нужно извлекать из опоки. Готовые детали имеют высокоточные размеры и идеально ровную поверхность.
Литье в оболочковые формы
Технология применяется для отливки изделий, прочность для которых не важна. Расплав заливается в оболочковую форму из синтетического материала, которая формируется под действием высокого давления и температуры. Оболочка упрочняется металлическим кожухом. Способ используется для отливки деталей простой конфигурации и массой до 25 кг.
Электрошлаковое литье
Инновационная технология, которая только начинает использоваться для массового производства отливок простых форм без особых требований к точности.
Расплав металла при этом способе получают путем воздействия на сырье электродуговыми разрядами высокой мощности. Для плавки железа электродуга не используется: материал плавится под действием тепла, выделяемого шлаком на который действуют разряды.
Центробежное литье
Жидкий металл выливается в форму, которая вращается одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Под действием центробежных сил металл равномерно распределяется по форме, что обеспечивает тонкостенность и высокое качество. Технология центробежного литья применяется при производстве труб.
Вакуумное литье
Технология применяется для работы с «элитными» металлами, такими как бронза, титан, высокомарочная сталь. Металл расплавляется в условиях вакуума, чтобы не допустить попадания инородных включений. Затем нагнетательным оборудованием расплав подается в форму, которая предварительно также вакуумируется. Изделия, полученные вакуумным литьем, отличаются высокой чистотой, а их масса не превышает 100 кг.