Основы литейной технологии

Литейная технология является наиболее экономичным и универсальным способом изготовления деталей сложной формы весом от нескольких грамм до сотен тонн. Фасонные отливки изготавливают путем заливки расплавленного металла в специальную литейную форму, внутренняя полость которой имеет конфигурацию изготавливаемой литой детали. Залитый в форму металл, затвердевая, приобретает заданную конфигурацию. В процессе охлаждения в форме и даже при освобождении из неё происходят вначале кристаллизация, а затем и твердофазные превращения металла, которые формируют структуру и свойства отливки

В зависимости от объема производства, геометрической сложности, размерной точности и других факторов применяют различные способы литья: в песчано-глинистые разовые формы, оболочковые формы, по выплавляемым моделям, в кокиль, под давлением, центробежное литье и пр. Однако технологическая схема почти любого из применяемых способов включает следующие основные позиции:

Литейная форма – это система элементов, образующих рабочую полость, которая формирует отливку из залитого в нее расплава. Обычно литейная форма состоит из верхней и нижней полуформ, которые изготавливают по литейным моделям в опоках. Для изготовления литейной формы используют литейную оснастку, состоящую из модельного комплекта и литейных опок. В модельный комплект входят модель отливки, модельные плиты, стержневые ящики, модели литниковой системы и др. приспособления. Литейная модель – имеет форму и размеры, близкие к параметрам получаемой отливки и служит для образования в форме рабочей полости, которую заливают металлом. Модели могут быть неразъёмными, разъёмными или с отъёмными частями. Отверстия, полости и другие сложные контуры в отливке образуют с помощью стержней соответствующей конфигурации. Стержни устанавливают в рабочей полости литейной формы на специальные выступы (стержневые знаки). Для подвода расплавленного металла в рабочую полость в форме устраивают литниковую систему, которая состоит из литниковой чаши, стояка и питателей. Литейная опока представляет собой рамочное приспособление для удерживания формовочной смеси при изготовлении формы и заливке её металлом. Верхнюю и нижнюю опоки ориентируют друг относительно друга с помощью металлических штырей, чтобы точно совместить сформированные в них рабочие полости.

Стержневой ящик – это приспособление для изготовления стержней.

Исходным документом для разработки чертежа отливки с модельно-литейными указаниями служит чертеж детали. На чертеже отливки указаны разъем модели и формы, положение отливки в форме при заливке, припуски на механическую обработку, формовочные уклоны, число стержней, размеры стержневых знаков, границы стержней и т.п.

Модели и стержневые ящики для единичного производства изготавливают из дерева; для массового производства – из чугуна, алюминиевых сплавов или из пластмассы.

Припуски на механическую обработку – это слой металла, удаляемый в процессе механической обработки отливки для обеспечения заданной геометрической точности и качества поверхности детали.

Для свободного извлечения модели из формы без повреждения ее рабочей полости предусматривают формовочные уклоны и скругления внутренних углов (галтели).

Формовочные и стержневые смеси состоят из наполнителя и связующего. В качестве наполнителя используют песок. Связующие применяют разные: глину, жидкое стекло, масла, смолы и их композиции. Наибольшее распространение получили песчано-глинистые формовочные смеси.

Для придания формовочным и стержневым смесям необходимой прочности их уплотняют или отверждают сушкой, воздействием повышенной температуры, продувкой углекислого газа, а также возможно самопроизвольное отверждение в результате химических реакций, протекающих в смеси после её приготовления.

Формовочные смеси должны обладать огнеупорностью, иметь достаточную прочность, обладать минимальной взаимодействием с расплавленным и затвердевающим металлом, а также они должны иметь высокую газопроницаемость, пластичность и податливость.

Расплавление и доведение сплава до заданного химического состава производят в электропечах индукционных, дуговых или печах сопротивления, могут также использоваться печи с газопламенным обогревом. Для выплавки чугуна могут также использовать вагранки – шахтные печи, которые отапливаются теплом горения кокса. Кокс необходим и для науглероживания выплавляемого чугуна.

Для улучшения качества металл после выпуска из печи часто подвергают разного рода внепечной обработке, модифицированию, вакуумной экстракции, обработке синтетическими шлаками и пр., а затем заливают в формы.

Важным технологическим параметром является температура заливки. При высокой температуре заливки возрастает жидкотекучесть металла, обеспечивая хорошую заполняемость даже самых тонких сечений отливки, но сильно перегретый металл более газонасыщен, сильнее окисляется, увеличивается усадка. Оптимальной является температура заливки на 100…150° выше температуры ликвидуса сплава.

После завершения кристаллизации и охлаждения металла до заданной температуры отливки выбивают, разрушая формы на специальных установках, exp.выбивных решетках, а также удаляют стержни.

Затем следует операция обрубки, т.е. удаление с отливки прибылей, литниковой системы, выпоров, облоя по месту сопряжения полуформ. Обрубку производят газовой или механической резкой, давлением на прессах. Литники с чугунных отливок легко отбивают молотками. Места обрубки зачищают шлифовальными кругами, газопламенной обработкой и т.п.

И, наконец, выполняют очистку отливок – удаляют пригар и остатки формовочной смеси с поверхности.

Для повышения геометрической и размерной точности, улучшения качества поверхности отливок и для достижения других качественных и экономических показателей и применяют специальные способы литья.

Литье в оболочковые формы отличается высокой точностью размеров, требует весьма небольших припусков на механическую обработку. Расход формовочных материалов при такой технологии сокращается, что снижает себестоимость литья. Формы при таком способе литья, представляют собой тонкостенные оболочки, которые получают нанесением на подогретую модель формовочной смеси из песка и термореактивной смолы. После отверждения оболочка снимается с модели. Если форма состоит из нескольких частей, то вначале она собирается в целую, а затем дополняется литниковой системой, помещается в опоку, засыпается песком или дробью и наконец заливается металлом. Затвердевшая отливка освобождается путем разрушения формы.

Литье по выплавляемым моделям применяют для изготовления отливок сложной конфигурации с очень малой толщиной стенки 1-3 мм и весом от нескольких грамм до нескольких десятков килограммов. Эта технология распространена, например, в художественном литье. Разовые модели изготавливают в пресс-формах, запрессовывая в них пастообразный модельный состав на основе парафина, стеарина или церезина. После затвердевания модель извлекают из пресс-формы и наносят на неё суспензию из пылевидного кварца и этилсиликата в несколько слоёв, обсыпая кварцевым песком и просушивая каждый слой. Затем модель удаляют из формы, выплавляя её в горячей воде. Последующие операции аналогичны технологии литья в оболочковые формы.

Литье в кокиль осуществляют заливкой расплавленного металла в металлические формы, которые и называются кокилем. Кристаллизация металла в кокиле происходит в условиях интенсивного теплоотвода и повышенной скорости охлаждения. Такие условия кристаллизации обеспечивают высокую плотность, размерную точность и хорошие механические свойства отливки. Технология кокильного литья высокопроизводительна, все операции её механизированы и автоматизированы. Она экономична при массовом и крупносерийном производстве. Для повышения стойкости кокилей применяют облицовку рабочей поверхности формовочной смесью с термореактивным связующим.

Литье под повышенным или низким давлением используют в массовом и крупносерийном производстве отливок с очень малой толщиной стенок (до 0,8 мм) и очень высокой точность размеров. Достигаемая точность размеров и высокое качество поверхности часто не требует последующей механической обработки. Литьё осуществляют заполнением пресс-формы расплавленным металлом под давлением 40-100МПа (при холодной камере прессования) или 10-30 МПа (при горячей камерой прессования). После затвердевания металла пресс-форму раскрывают и отливку извлекают. Технология применяется для отливок из относительно легкоплавких сплавов на основе Al, Mg, Zn.

Центробежное литье осуществляют во вращающиеся формы. Центробежные силы прижимают залитый металл к стенкам формы, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок, формирование внутренней полости трубных заготовок без применения стержней, экономию сплава из-за отсутствия литниковой системы. Центробежное литье позволяет получать двухслойные отливки, заливая сначала один сплав, а после его затвердевания другой.

Непрерывное литье осуществляется бесперебойной заливкой металла в водоохлаждаемый кристаллизатор. Внутренняя полость кристаллизатора имеет конфигурацию, которая формирует отливку. Затвердевшая часть отливки вытягивается из кристаллизатора специальным устройством и разрезается на мерные заготовки. Этим способом получают отливки разного профиля с параллельными образующими из чугуна, стали, алюминиевых и медных сплавов. Благодаря кристаллизации в условиях направленного теплоотвода непрерывно литые заготовки не имеют усадочных дефектов и неметаллических включений.