Литье металла – это востребованный технологический процесс, который позволяет изготавливать металлические изделия нужной формы. Проводится отливка из разных сплавов, обладающих той или иной степенью жидкотекучести в расплавленном состоянии.
Такой способ выполнения позволяет выпускать качественную продукцию без применения громоздкого оборудования и огромного количества работников. На современном рынке эта технология пользуется огромным спросом, а также входит в десятку самых эффективных и применяемых в мире.
Общие сведенья
В процессе производства проводится заливка расплавленного материала в специальные формы. После охлаждения он принимает нужную форму и подвергается последующей обработке. Используются такие изделия в различных отраслях экономики:
- автомобилестроение;
- авиационная промышленность;
- машиностроение;
- стоматология;
- ортопедия;
- ювелирное производство.
Для разных видов сплавов используется определенная технология литья, позволяющая добиться нужных качеств в готовом изделии и избежать брака. Для литейного производства используются разные виды компонентов. Они обладают высоким показателем жидкотекучести. Это свойство сплава определяется:
- химическим составом;
- структурой металлического сплава;
- температурой плавления.
Наиболее востребованными в промышленности являются металлы, имеющие низкую температуру плавления, так как их производство менее затратное. Чем ниже температура плавления материала, тем легче производится его отливка.
Литьё черных и цветных металлов
Любой металл можно расплавить. Процесс получения изделий, путем заливания расплавленного металла в специальную форму, называют литьем металлов.
Не все металлы одинаковые, как по температуре плавления, так и по своим физико-химическим свойствам. Каждый металл имеет свой способ заливки, методологию и назначение. Основное подразделение, это разделение на цветные, черные и благородные металлы. Последние, меньше всего используются в промышленности, ввиду своей дороговизны.
Черные металлы
Марганец, хром, железо, чугуны, сплавы на из основе относятся к этой категории металлов. Черные металлы составляют более 90% потребления среди всех металлических сплавов. Сталь идеально подходит для производства деталей в машиностроении, корпусов в станкостроении. Широко применяется при изготовлении бытовых приборов, металлоконструкций в строительстве, кораблестроении и других промышленных отраслях.
Цветные металлы
Цветные металлы, по своим физико-химическим показателям и удельному весу, не менее значимы, но им отводят более значимую роль. Делятся на легкие и тяжелые.
Легкие цветные металлы
К этой группе относят магний, алюминий, титан. В силу их более редкого наличия в залежах земли, себестоимость их выше, нежели черных металлов. Основное преимущество — удельный вес, который значим в таких отраслях как аэрокосмическое строение, оборонное производство, вычислительная техника, сфера телекоммуникаций и производство приборов бытового назначения.
Благодаря свойству титана взаимодействия с тканями человеческого организма, он нашел широкое применение в стоматологии и протезировании зубов.
Тяжелые металлы
К тяжелым относят никель, олово, цинк, свинец и медь. По своим характеристикам они оптимальны для химической промышленности, электроники и электротехники. Применяются в любых отраслях, где требуется прочный, упругий и обладающий особенными антикоррозионными свойствами металл.
Благородные металлы
Основу этой группы составляют платина, золото, серебро. Но к ней относятся и более редкие — рутений, палладий, осмий, родий, иридий.
Основные, в виду своей редкости, а соответственно более значимой стоимости, применяются при изготовлении украшений, хотя не редко встречаются в электронике, но в незначительных объемах. Редкие, встречаются исключительно в аэрокосмонавтике, высокоточной электронике и других областях, где без их участия обойтись невозможно.
Видовое различие сталей
Все стали разделяются по своим составам, а сплавы по добавкам содержащихся в них.
Они подразделяются на стали:
- высокоуглеродистые;
- низкоуглеродистые;
- среднеуглеродистые;
- высоколегированные;
- низколегированные.
Самой востребованной в промышленности является среднеуглеродистая сталь. Легирование позволяет повысить характеристики стойкости к коррозии, прочности и пластичности металла и других значимых характеристик.
Металлы для заливки
В нужную форму специалисты могут отлить любой подготовленный сплав в расплавленном состоянии. Проблема состоит в том, что каждый вид материала имеет свою особенную температуру плавления и разную степень жидкотекучести. Чаще всего в промышленном литье используются металлы с низкой температурой плавления.
Компоненты, пригодные для литья, разделяют на черные, цветные и редкоземельные.
К черным относятся сталь, литейный и ковкий чугун. Все остальные сплавы относят к цветным и редкоземельным.
Для каждого вида сплавов используются специальные методы литья, позволяющие изготавливать изделия из следующих материалов:
- стали;
- чугуна;
- алюминия;
- меди;
- латуни;
- золота;
- серебра;
- платины;
- никеля;
- титана;
- бронзы;
- магния.
За все время существования литейного производства было разработано много разных технологических решений с разными условиями отливки.
При отливке изделий из черных металлов используют 5 видов стали с разным содержанием углерода. Изделия с повышенной прочностью отливают из легированной стали.
Это самый распространенный материал, который используется для промышленной заливки.
Методы литья деталей
Для производства деталей станков и иной продукции высокоточного машиностроения используется обычный ковкий чугун и чугун перлитный, обладающей хорошей пригодностью к обработке.
Литейный чугун, который используется в разных сферах производства, делят на четыре вида:
- белый;
- серый;
- отбеленный;
- половинчатый.
Его отливка отличается низкой себестоимостью, сам материал имеет небольшую прочность и обрабатывается при помощи обычного резания.
Более прочным материалом для оливки считается чугун, в состав которого входит шаровидный графит.
Широко применяются для заливки сплавы цветных металлов, прежде всего медь и алюминий. Они отличаются высокой устойчивостью к коррозии и стоят недорого.
Самой дорогой считается технология производства титанового сплава, требующая соблюдения особенных условий заливки и остывания. Такой редкоземельный сплав используется для высокотехнологичных отраслей экономики, таких как авиакосмическая индустрия или медицина.
Сплавы драгоценных металлов используются при отливке ювелирных, медицинских изделий или деталей для электроники.
Литьё металла
Способы отливки изделий из металлических сплавов
Современное литейное производство кроме традиционной технологии заливки жидкого металла в песчаные формы применяют и другие высокотехнологичные, производительные способы литья:
- вакуумный;
- центробежный;
- под давлением;
- центробежный;
- оболочковый;
- многократный;
- ртутный;
- по выплавляемым моделям;
- электрошлаковый.
Высокотехнологичные виды литья позволили создавать металлические изделия с определенными качествами при высокой производительности труда и минимальном браке.
Чаще всего сегодня в промышленных масштабах используются следующие технологии производства:
- в металлические формы (коколь);
- статическое литье;
- отливка под давлением;
- в оболочковые формы;
- в выплавляемые модели.
При выполнении статической заливки используются неподвижные формы, в которые разливают жидкий металл. Готовые изделия достают после того, как они остынут в неподвижной модели.
Виды литья, их особенности
Повышенные требования к точности размеров и качеству отливок привели к появлению различных методов литья. Все они механизированы и адаптированы для массового производства отливок. Остановимся на наиболее популярных видах.
Самым распространенным из них является литьё металла
в разовые песчаные формы. Для изготовления литейной песчаной формы в специальные ящики (опоки) помещается модель, а свободное пространство заполняется уплотнительной смесью (песок, глина ил их смесь) для формовки изделий. Формовочная смесь затвердевает в сушильной печи или же утрамбовывается прессованием или встряхиванием. В готовую форму выполняют
литьё металла и выдерживают до затвердения.
Для получения тонкостенных отливок используется литьё под давлением. Особенность этого метода в том, что заполнение формы металлом и его последующее затвердение происходит под давлением в несколько сот атмосфер. Отливки имеют точные размеры, а их поверхность не требует механической обработки. Широкое распространение получило чугунное литье на заказ, литьё стали и различных сплавов в кокиль. Кокиль – постоянная металлическая форма, в которую заливается расплавленный металл и выдерживается до застывания. Литьём в кокиль получают точные по размерам фасонные отливки с плотной структурой металла.
Центробежным литьём изготавливаются тела вращения. Заливка металла в этом случае осуществляется во вращающуюся форму. Центробежные силы равномерно заполняют форму металлом. В таких заготовках нет шлаковых вкраплений и газовых полостей. Центробежные литейные машины не требуют использования стержней для образования внутренних полостей в отливках. Литьё ответственных изделий с высокими требованиями точности выполнят по выплавляемым моделям. Для этого из легкоплавких материалов (парафина или воска) изготавливается модель будущей детали и керамическая оболочковая форма. При термическом воздействии легкоплавкая модель удаляется и заливается металл.
Производство титана
Для изготовления высокопрочных сплавов из титана и стали применяют вакуумную отливку, позволяющую снизить в металле содержание газов. Таким способом создают более плотную структуру металлического сплава с помощью плавления в вакууме. Затем горячий металл разливают в многократные емкости, в которых он остывает.
При введении технологии отливки под давлением применяется специальное оборудование, с помощью которого заполняют пресс-формы жидким металлом. Он подается под высоким давлением в диапазоне 7–700 МПа.
Такой способ производства выполняется машинами горячего или холодного прессования.
Выполняется эта технология для заливки алюминиевых, медных, цинковых и оловянно-свинцовых сплавов. Все эти металлы обладают низкой температурой плавления, что увеличивает технологические характеристики изделий из них.
Холодные и горячие способы литья под давлением позволяют получать изделие с идеально точными размерами и ровной поверхностью, которую не нужно после завершения процесса дополнительно обрабатывать.
Такая технология позволяет повысить производительность труда. А также она сокращает время всего технологического цикла, упрощает изготовление металлического изделия. У нее имеются также недостатки, к которым относится невозможность производить продукцию сложной конфигурации, так как они могут при вынимании из пресс-формы деформироваться. Таким способом производят только металлическую продукцию, имеющую небольшой диаметр.
При центробежном литье применяются специальные вращающиеся в горизонтальной или вертикальной плоскости формы.
Действие центробежных сил обеспечивает равномерное заполнение всех полостей в отливочной форме. Внедряется такая технология отлива при производстве труб, втулок или металлических дисков. А также ее применяют при отливке ажурных ювелирных изделий.
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
Суть метода заключается в том, что тигель с металлом и матрицы для отливок располагаются в герметичной камере. Металлопровод, сделанный из титанового сплава, опускается из формы в расплавленный металл. В это время в камеру подают низкое избыточное давление воздуха или инертного газа. Металл попадает в матрицу под давлением, скорость потока весьма высока и при этом регулируется. Форма заполняется полностью и равномерно.
Метод позволяет получать высококачественные отливки, в том числе особо тонкостенные. Качество поверхности также превосходит отливки, получаемые традиционным методом. Литейные газы удаляются через отводящий трубопровод в систему очистки, откуда попадают в атмосферу. Метод отличается высокой автоматизацией операций, улучшенными условиями труда персонала и высокой экологичностью. К тому же при таком литье и материалы, и расход энергии существенно экономятся.
Литье под высоким давлением
Метод применяется как в черной, так и в цветной металлургии и позволяет получать наиболее точные и однородные отливки. Металл под высоким напором поступает в матрицу со скоростью до 120 м/с и мгновенно заполняет ее.
Деталям, полученным таким методом, практически не требуется финишная механическая обработка. Таким методом можно отливать детали практически любой конфигурации, с тонкими стенками, с готовыми отверстиями и даже с готовой резьбой.
Инжекционное литье
Инжекционный метод от обычного литья под давлением тем, что металл попадает в матрицу в виде порошка, смешанного со связующим веществом. Формы делают из высокопрочных сталей.
Высокая текучесть смеси позволяет заполнить мельчайшие детали рельефа форм самой сложной конфигурации, включающих внутренние полости. Достоинством этого метода является высокая точность поверхности, делающая ненужной дополнительную механическую обработку или сводящую ее к минимуму. Другим преимуществом является высочайшая физико-химическая однородность отливки.
Существуют и другие методы литья деталей, имеющие нишевое применение.
Издержки процессов
Для уменьшения убыточности процесса обычные способы литья в одноразовые модели были модернизированы с созданием высокопрочных полимерных составов. Для этого стали производить отливку в оболочковые емкости, изготовленные из термореактивного порошкообразного полимера. Он при воздействии температуры превращается в твердую оболочку, формирующую жидкий сплав.
Таким способом отливаются радиаторы водяного и парового отопления, узлы автомобилей, станков, самолетов и других видов высокотехнологичных механизмов. Эта технология позволяет получать детали большого размера и любой сложной модификации.
Традиционной считается отливка в кокиль, когда используется прочная форма.
Из нее вытаскивается деталь после отвердения металла. Таким способом производят простые стальные изделия небольшого размера. Чаще всего в кокиль отливаются медные и алюминиевые сплавы с невысокой температурой правления.
Модель для них делается из жаропрочной стали или чугуна, имеющих боле высокую температуру плавления чем медь или алюминий.
К преимуществам такой технологии следует отнести:
- невысокую себестоимость производственного процесса и возможность его недорогой автоматизации;
- простоту исполнения;
- сохранность отливочных форм, которые используются неоднократно;
- точность параметров изготовленных изделий;
- качественную структуру металла, в которой не будет неметаллических частиц;
- гладкую поверхность изделия, которая получается при таком способе отливки.
Традиционная технология отливки по выплавляемым моделям сегодня усовершенствовалась благодаря появлению новейших материалов.
Если раньше модель для заливки сплава делали из дерева или иной органики, которая могла быть разрушена высокими температурами при выжигании, то сегодня используются легкоплавкие материалы, такие как парафин и стеарин.
Отливка по выплавляемым моделям применяется при отливке художественной продукции со сложной конфигурацией. Это затратная технология отлива, которая используется при создании памятников или иных художественных изделий.
Стальную емкость для такой заливки делают на основе моделей из легкоплавких материалов, она имеет точные размеры, а ее поверхность тщательно полируют.
Виды отливочных форм
Для литья металлов пускают в ход разные емкости, которые разделяют на песочные, применяемые только один раз во время оливки, а также многократные. Многоразовые отливочные емкости делают из разных материалов:
- чугуна;
- жаропрочной стали;
- огнеупорной керамики;
- графита.
Отливочная форма из графита
Широко распространены чугунные кокили и изложницы. При изготовлении продукции из алюминия, меди и других цветных сплавов выполняют металлические формы из чугуна, меди и латуни.
Такое решение было принято давно, оно позволяет легко проводить подготовку материалов к основному процессу. Сам процесс длится недолго, модели выходят высокого качества. При выполнении этой технологии привлечение большого количества рабочих не требуется.
Металлические отливочные емкости бывают открытыми и закрытыми. Открытые – это изложницы, а закрытые – кокили. В закрытых емкостях имеется полость, повторяющая размеры выплавляемой детали. Заливка жидкого металла в них проводится через специальное отверстие.
Оболочковые отливочные емкости используются при заливке сплавов цветных и драгоценных металлов, а также изделий из стали. Для отливки сплавов цветных металлов их делают из порошкообразного диоксида кремния или гипса.
При изготовлении продукции из золота, платины и серебра пресс-форму делают из легкоплавкого материала, который заполняется ртутью, парафином или пластмассой, что позволяет создавать продукт сложной конфигурации небольшой толщины.
Настолько щепетильная работа требует от всего персонала высокой точности и квалификации. Каждый этап производства проводится в оптимальных условиях, способствующих выходу только качественной продукции.
Виды литья
Литье это не единый процесс, он также подразделяется на несколько способов.
Основными являются:
- статическая заливка. Заключается в заливании в форму до ее наполнения и затвердевании металлической заготовки. Является самым распространенным видом;
- литье под давлением. Позволяет обеспечить производимую заготовку высокими характеристиками точности, качеством поверхности и обеспечить высокую производительность, так как процесс производиться под давлением и не позволяет образовываться микроскопическим пустотам;
- центробежное литье. Используется для создания труб и других цилиндрических изделий. Процесс отличается тем, что заливка в металлическую или песочную форму происходит во время ее вращения. Это позволяет изготовить идеальную заготовку круглой формы;
- вакуумная заливка. Позволяет максимально исключить содержание газов в заливаемом металле за счет залития в отсутствии воздуха.
Формы для заливки
Формы для литья делятся на многократного использования и одноразовые (песочные).
Первые делятся на кокили и изложницы. Изготавливаются из металла. Также используются огнеупорные керамические и графитовые.
Изложницы заполняются сверху. Основным металлом для изготовления является чугун. Применяются для литья катанных и кованых сталей.
Сборная форма закрытого составного типа с небольшим отверстием для литья — кокили.
Механическая обработка графита позволяет изготавливать графитовые формы.
При неудовлетворительном литье при помощи кокили, применяется керамическая форма вместе с графитовой.
Для изготовления разовых форм используется кремнистый песок. Такие формы нужны, когда требуется получить заготовку нестандартного размера, формы. Подходит для литья любого металла.
