Найвищою продуктивністю відрізняється спосіб лиття. Лиття металів. Тяжкі кольорові метали

Ливарним виробництвом називають процеси отримання фасонних виробів (виливків) шляхом заливання розплавленого металу в порожнисту форму, форму, що відтворює, і розміри майбутньої деталі. Після затвердіння металу у формі виходить виливок - заготівля чи деталь. Виливки широко застосовують у машинобудуванні, металургії та будівництві.

При всій різноманітності прийомів лиття, що склалися за тривалий період розвитку його технології, принципова схема технологічного процесулиття практично не змінилося за більш ніж 70 століть його розвитку і включає чотири основні етапи: плавку металу, виготовлення форми, заливання рідкого металу у форму, вилучення затверділої виливки з форми.

В останні роки в ливарному виробництвіповсюдно впроваджуються спеціальні методи лиття, мають ряд переваг проти традиційним литтям в разові піщано-глинисті форми. Питома вага виливків, які отримують спеціальними способами, неухильно збільшується.

До спеціальних способів відносять лиття:

а) у постійні металеві форми (кокіль),

б) відцентрове,

в) під тиском,

г) у тонкостінні разові форми,

д) за моделями, що виплавляються,

е) кіркове, або оболонкове,

ж) електрошлакове лиття.

Спеціальні способи лиття дозволяють отримувати виливки більш точних розмірів з гарною якістюповерхні, що сприяє зменшенню витрати металу та трудомісткості механічної обробки; підвищити механічні властивостівиливків та зменшити втрати від шлюбу; значно знизити або виключити витрати формувальних матеріалів; скоротити виробничі площі; покращити, санітарно-гігієнічні умови та підвищити продуктивність праці.

Одним із найпоширеніших є лиття в кокіль. Кокілем називають цільну чи роз'ємну металеву форму, виготовлену з чавуну чи сталі.

Кокілі призначені для отримання великої кількості однакових виливків із кольорових або залізовуглецевих сплавів. Стійкість кокілів залежить, від матеріалу та розмірів виливки та самого кокіля, а також від дотримання режиму його експлуатації.

Перед заливкою металу кокілі підігрівають до температури 100...300°С, а робочі поверхні, що контактують із розплавленим металом, покривають захисними обмазками. Покриття забезпечує збільшення терміну служби кокіля, попередження приварювання металу до стінок кокіля та полегшення вилучення виливків. Підігрів оберігає кокіль від розтріскування та полегшує заповнення форми металом. У процесі роботи необхідна температура кокіля підтримується за рахунок теплоти, що виділяється металом, що заливається. Після твердіння виливок витягують струшуванням або за допомогою виштовхувача.

Кокильне лиття дозволяє знизити витрату металу на прибутки та випори, отримувати виливки вищої точності та чистоти поверхні, покращити їх фізико-механічні властивості. Водночас цей спосіб лиття має недоліки. Швидке охолодженняметалу ускладнює отримання тонкостінних виливків складної форми, викликає небезпеку появи у чавунних виливків вибілених поверхонь, що важко обробляються.

Лиття під тиском - один із найбільш продуктивних методів отримання точних фасонних виливків із кольорових металів. Сутність способу полягає в тому, що рідкий або кашкоподібний метал заповнює форму і кристалізується під надлишковим тиском, після чого форму розкривають і видаляють виливок.

За способом створення тиску розрізняють: лиття під поршневим та газовим тиском, вакуумне всмоктування, рідке штампування.

Найбільш поширене формоутворення виливків під поршневим тиском - у машинах із гарячою чи холодною камерою стискування. Сплави, що застосовуються для лиття під тиском, повинні володіти достатньою рідиною, вузьким температурно-часовим інтервалом кристалізації і хімічно не взаємодіючи з матеріалом прес-форм. Для отримання виливків аналізованим способом використовують цинкові, магнієві, алюмінієві сплави та сплави на основі міді (латуні) (рис. 1).

Рис. 1 - спеціальні способи лиття: а - під тиском; б - відцентровий

Відцентровий спосіб лиття застосовується головним чином для отримання порожнистих виливків типу тіл обертання (втулок, обичайок для поршневих кілець, труб, гільз) з кольорових і залізовуглецевих сплавів, а також біметалів. Сутність способу полягає в заливанні рідкого металу в металеву або керамічну форму, що обертається (виливницю). Рідкий метал за рахунок відцентрових сил відкидається до стінок форми, розтікається вздовж них і твердне.

Довгі труби та гільзи відливають на машинах з горизонтальною віссю обертання, короткі втулки, вінці великого діаметра – на машинах з вертикальною віссю обертання.

Поряд із високою продуктивністю та простотою процесу відцентровий спосіб лиття в порівнянні з литтям у стаціонарні піщано-глинисті та металеві форми забезпечує більш високу якість виливків, майже усуває витрату металу на прибутки та випори, збільшує вихід придатного лиття на 20...60 %. До недоліків способу слід віднести високу вартість форм та обладнання та обмеженість номенклатури виливків.

Лиття, по виплавлюваних (витоплюваних) моделях полягає в наступному. Метал заливають у разову тонкостінну керамічну форму, виготовлену за моделями (також разовим) з легкоплавного модельного складу. Цим способом отримують точні, що практично не вимагають механічної обробки виливки з будь-яких сплавів масою від декількох грамів до 100 кг.

Технологія виробництва виливків за моделями включає наступні етапи: Виготовлення прес-форм для моделей; отримання воскових моделей запресуванням модельного складу прес-форми; складання блоку моделей на загальний живильник (у разі дрібних виливків); нанесення вогнетривкого покриття на поверхню одиничної моделі або блоку; витоплювання моделей з вогнетривких (керамічних) оболонок-форм; прожарювання форм; заливки металу в гарячі форми.

Литтям по моделях, що виплавляються, отримують різноманітні складні виливки для автотракторобудування, приладобудування, для виготовлення деталей літаків, лопаток турбін, ріжучих і вимірювальних інструментів.

Вартість 1 т виливків, одержуваних за моделями, що виплавляються, вище, ніж виготовляються іншими способами, і залежить від багатьох факторів (серійності випуску деталей, рівня механізації та автоматизації ливарних процесів і процесів механічної обробки виливків).

Лиття в оболонкові форми застосовується для отримання виливків масою до 100 кг із чавуну, сталі та кольорових металів.

Тонкостінні (товщина стінки 6...10 мм) форми виготовляють з піщано-смоляної суміші: дрібнозернистого кварцового піскута термореактивної синтетичної смоли (3...7 %). Піщаносмоляну суміш готують перемішуванням піску та подрібненої порошкоподібної смоли з добавкою розчинника ( холодний спосіб) або при температурі 100 ... 120 ° С (гарячий спосіб), в результаті чого смола обволікає (плакує) зерна піску. Потім суміш додатково дробиться до отримання окремих зерен, плакованих смолою і завантажується в бункер. Формування проводиться за металевими моделями.

Модель у литниковій системі закріплюють на підмодельній плиті, нагрівають до температури 200...250 °С і наносять на їхню робочу поверхню тонкий шар розподільчого складу. Після цього модельною плитою закривають горловину бункера (модель усередині) і повертають на 180°. Суміш падає на нагріту модель, смола правиться і через 15...25 з на моделі утворюється оболонка (напівформа) потрібної товщини. Бункер знову повертають на 180°, суміш, що залишилася, обсипається на дно бункера, а модельна плита з напівтвердою оболонкою поміщається в піч для остаточного твердіння при температурі 300...400 "С ст протягом 40.,.60 с. За допомогою спеціальних виштовхувачів напівформа легко знімається із моделі.

Скріплення (складання) напівформ здійснюється металевими скобами, струбцинами або швидкотвердіючим клеєм. Аналогічним способом виготовляють піщано-смоляні стрижні для порожнистих виливків.

Зібрані оболонкові форми для надання їм більшої жорсткості поміщають у опоки, засипають зовні чавунним дробом або сухим піском і заливають металом. Після затвердіння виливка форма оболонки легко руйнується.

Виливки, виготовлені в оболонкові форми, відрізняються великою точністю та чистотою поверхні, що дозволяє на 20...40 % знизити масу виливків та на 40...60 % трудомісткість їхньої механічної обробки. Порівняно з литтям у піщано-глинисті форми трудомісткість виготовлення виливків знижується у кілька разів. Цим способом отримують відповідальні деталі машин - колінчасті та кулачкові вали, шатуни, ребристі циліндри тощо. Процеси виготовлення оболонок легко піддаються автоматизації.

Незважаючи на велику вартість піщано-смоляної суміші порівняно з піщано-глинистою, при масовому та серійному виробництві виливків досягається значний економічний ефект.

Застигаючи, метал зберігає форму тієї судини, в який був залитий у рідкому вигляді. Цю особливість металу людина використовувала для отримання виробів способом лиття.

Наша країна здавна славилася вправними ливарниками. У Московському Кремлі стоять «Цар-гармата» масою 40 т, відлита Андрієм Чоховим наприкінці XVI ст., та «Цар-дзвін» масою 200 т, виготовлений знаменитими ливарниками Іваном та Михайлом Моториними у першій половині XVIII ст. У багатьох країнах світу відомі художні вироби Каслинського чавуноливарного заводу на Уралі.

Одна з головних якостей ливарного матеріалу – здатність розтікатися, або рідкотекучість. Метал або сплав у рідкому стані має бути рухомим і нев'язким, легко заповнювати будь-яку складну форму, швидко проникати в її найтонші звивини.

Зі сплаву з гарною рідиною можна отримати виливок з тонкими стінками. Якщо метал розтікається повільно, то з нього тонкостінний виливок не вийде: він застигне, перш ніж заповняться всі звивини форми.

Чавунні чушки.

Один із найкращих ливарних матеріалів - чавун. Він має відмінну рідину. У сталі рідинатекучість менше, і доводиться вдаватися до різних хитрощів, щоб змусити сталь заповнити всю форму.

Найдавніший спосіб лиття - лиття в піщано-глинисті форми, або лиття в землю. Однак цей спосіб, хоч його і вважають простим, вимагає великої попередньої роботи.

Спочатку в модельному цеху з дерева чи металу роблять модель майбутнього виливка. Вона має бути трохи більшого розміру, ніж виливок, з урахуванням усадки металу при охолодженні. Модель (як і майбутня форма) роз'ємна і складається із двох половинок. У землепідготовчому відділенні ливарного цеху із землі та різних добавок готують формувальну суміш. Якщо у виливка має бути внутрішній отвір або порожнину, то необхідно приготувати ще одну суміш - для стрижнів. Призначення стрижнів - заповнити місця у формі, які у деталі відповідають отворам чи порожнинам.

Формувальні та стрижневі суміші готують зі спеціальних пісків і глин і сполучних матеріалів - рослинних та мінеральних масел, штучної смоли, каніфолі тощо. Готові суміші надходять до формувальників, завдання яких – виготовити ливарні форми. Для цього на металеву модельну плиту ставлять одну половину моделі роз'ємом вниз (див. рис.), а потім металевий ящик без дна - опоку так, щоб половина моделі опинилась усередині нього. Опоку щільно набивають формувальною землею і перевертають. Тепер половинка моделі лежить у опоці роз'ємом нагору. На цю опоку формувальник ставить ще одну і скріплює їх штирями. Потім у верхню опоку встановлюють два дерев'яні конуси (на їх місці в готовій формі залишаться два отвори для заливки металу і для виходу повітря та газів) і щільно заповнюють її формувальною сумішшю.

Тепер залишилося вийняти із землі дерев'яну модель. Для цього опоки роз'єднують і з кожної виймають половинки моделі. У землі залишаються чіткі відбитки двох половин деталі (див. мал.). Їх, а також заздалегідь приготовлений стрижень покривають особливою фарбою, щоб рідкий метал не пригорів - не прилип до стінок форми. У форму вставляють стрижень і прорізають у землі канавку, що з'єднує отвір для заливки металу з порожниною форми - литниковий хід. На кінець верхню опоку знову кладуть на нижню, з'єднують їх і форма готова. Коли вона трохи підсохне, до неї можна заливати метал.

Чавун для лиття готують у спеціальних печах – вагранках. Якщо виливки сталеві, то сталь для них плавлять у конвертерах, мартенівських та електричних печах. . Для розплавлення кольорових металів є свої плавильні печі.

Рідкий метал заливають у форму з ковша, який рухається вздовж ряду опок, а іноді опоки на конвеєрі рухаються повз ковш. Коли метал застигає, виливку виймають із форми. За допомогою наждачних верстатів, піскоструминних або дробоструминних апаратів виливок очищають від формувальної землі, що пристала.

Лиття в кокіль.

Разом з тим, давно вже з'явилися і успішно використовуються інші, більш досконалі способи лиття. Один із них лиття в кокіль - металеву форму (див. рис.), що складається з двох половин, в одну з них перед заливкою металу вставляють стрижні. Потім обидві половини кокіля скріплюють між собою та заливають рідкий метал. Тут він дуже швидко твердне, і вже за кілька хвилин можна виймати деталь та заливати нову порцію металу. За допомогою одного кокіля отримують сотні та тисячі однакових виливків.

Лиття металу в кокіль.

Однак таким способом можна отримувати виливки тільки з металів або сплавів, що мають хорошу рідину. А для сталі, наприклад, у якої рідина менша, застосовують лиття під тиском (див. рис.). Рідкий метал під тиском стисненого повітря чи поршня добре заповнює будь-яку складну форму. Однак звичайний кокіль не витримує великого тиску та руйнується. У зв'язку з цим форми для цього способу лиття – прес-форми – роблять із міцної сталі. Машини для лиття під тиском випускають по кілька тисяч виливків за зміну.

Здавна відомий спосіб лиття за моделями, що виплавляються, зробленим не з дерева або металу, а з легкоплавкого воскоподібного (парафін, стеарин) речовини (див. рис.). Таку модель покривають вогнетривкою оболонкою і заформовують у опоку. Гарячий метал розплавляє віск і заповнює оболонку, точно повторюючи форму моделі. При цьому способі модель не треба витягувати з форми, що дозволяє отримувати дуже точні виливки. З іншого боку, цей процес легко автоматизувати.

Іноді, коли виливок не вимагає великої точності, її одержують литтям в оболонкові форми (див. рис.). Їх роблять із суміші дрібного кварцового піску з особливою порошкоподібною смолою. Цією сумішшю засипають половинки металевих моделей, встановлених на нагрітій до 200-250 ° С металевій плиті. Під дією тепла смола розплавляється, обволікає та скріплює зерна піску. На моделі утворюється піщано-смоляна кірка. Потім моделі виймають, а плиту з оболонками ставлять у піч, де вони остаточно тверднуть. Нарешті 2 напівформи оболонки з'єднують між собою та заливають у порожнину метал.

Відцентрове лиття.

Так само широко поширене відцентрове лиття, за допомогою якого роблять виливки, що мають форму тіл обертання, - труби, шестерні, зубчасті ободи і т. п. Метал заливають у металеву форму, що обертається, при обертанні він притискається до стінок форми, і це дозволяє отримувати виливки Висока точність.

Електрошлакове лиття.

Один із сучасних способів - електрошлакове лиття. У цьому випадку спочатку одержують рідкий метал методом електрошлакового переплаву. Бездуговий переплав металевих електродів здійснюється за рахунок теплоти, що виділяється під час проходження електричного струмучерез розплав електропровідного шлаку. Потім рідкий метал (не стикаючись з повітрям) надходить у водоохолодний мідний кристалізатор, що є ливарною формою. Електрошлакове лиття застосовується в основному для виготовлення порівняно нескладних виливків, наприклад, колінчастих валів.

Допоміжна інформація.

Для отримання металевих деталей за допомогою лиття використовують два методи: 1) метод лиття за моделями, що виплавляються з

моделювального воску у формах з вогнетривкого матеріалу; 2) метод лиття за моделями, що виплавляються на вогнетривких моделях, поміщених у форми з вогнетривкого матеріалу.

Процес лиття включає ряд послідовних операцій: 1) виготовлення воскових моделей деталей (при литті на вогнетривких моделях попереднє одержання таких); 2) встановлення литникутворюючих штифтів та створення литникової системи; 3) покриття моделей вогнетривким облицювальним шаром; 4) формування моделі вогнетривкої масою в муфелі; 5) виплавлення воску; 6) сушіння та випал форми; 7) плавлення металу; 8) лиття металу; 9) звільнення деталей від вогнетривкої маси та литникової системи.

При литті зубопротезних деталей найважливішим є боротьба з усадкою сплавів та воскових композицій. Цьому підпорядковані всі проміжні операції; зменшення усадки воскових композицій, створення спеціальних компенсаційних формувальних мас, система та характер литників та методи плавлення сплавів.

Усі воскові композиції, а також сплави металів при переході з рідкого стану в тверде дають усадку: воскові композиції-0,5-2%, нержавіюча сталь -1,1-1,25% (1,2-2,2% у товстостінних) виробів), золоті сплави-1,25% (у сплавів золота з платиною дещо менша), срібно-палладієві сплави – до 2%.

Усадку воскових композицій зменшують шляхом створення сумішей із введенням карнаубського, монтованого та інших восків, а також моделюванням деталей не з розплавленої, а з розм'якшеної суміші. Усадку сплавів компенсують за допомогою спеціальних компенсаційних формувальних мас, які мають подвійний коефіцієнт розширення: розширення в процесі затвердіння (0,8-1%) і властиве всім тіла теплове розширення при нагріванні (0,6-0,75%). Чим більше вдається врівноважити відсоток усадки воскових сумішей і сплавів металів розширенням формувальних мас, тим точніше і якісніше виходить лиття.

Одержання воскових моделей зубопротезних деталей описано у спеціальних розділах даного підручника, оскільки моделювання специфічне щодо різноманітних конструкції протезів. Процес лиття викладено в суворій послідовності, з поясненням усіх маніпуляцій і застосовуваних для компенсації усадки сплавів засобів.

Рис. 49. Розташування ливарних каналів за складної конфігурації каркаса зубного протеза різновеликої товщини.

При всіх способах лиття в ливарній формі, крім форми металевої виливки, передбачається і литникова система, що є каналами, якими рідкий метал підводиться до виливки. Літникова система створюється шляхом підведення до воскової деталі литникутворюючих штифтів. Ці штифти можуть бути металевими та восковими або металевими, додатковими восковими.

Побудова литниковой системи в точному лиття за моделями, що виплавляються, визначається наступними принципами: 1) всі ділянки виливки повинні знаходитися в рівних умовах при литті; 2) всі товстостінні ділянки виливки повинні мати додаткове депо рідкого металу для усунення усадкової раковини, пухкості та пористості в металі; 3) до тонких ділянок виливків має бути підведений найбільш гарячий метал.

Досліди показали, що не тільки довжина та діаметр ливарного каналу, але його напрямок та розташування мають велике значення для отримання якісного лиття.

Напрямок ливарних каналів повинен відповідати напрямку порожнього простору, щоб розплавлений метал не змінював різко напрямок, а відцентрова сила, що застосовується при литті, сприяла б ущільненню металу (рис. 48). Розплавлений

Рис. 48. Розташування та ширина ливарних каналів при литті коронок (а) та тіла мостоподібного протеза (б).

Рис. 50. Розташування литникутворюючих штифтів при невеликій протяжності деталі та рівнооб'ємних ливарних об'єктах.

метал повинен текти від товстостінних ділянок до тонкостінних. Якщо деталь має кілька товстостінних ділянок, пов'язаних за допомогою тонкостінних, то кожна товстостінна ділянка повинна мати свій ливарний канал (литникутворюючий штифт) (рис. 49).

Товщина литникутворюючого штифта повинна бути навіть у маленької відливальної деталі не менше 1,5 мм. Чим товстіша деталь або чим більша її протяжність, тим більша кількість литників більшого діаметра повинна бути до неї підведена. Не рекомендується брати литникутворюючий штифт діаметром більше 3-4 мм, оскільки може виникнути небезпека, що розплавлений метал під впливом сили тяжіння увійде до широкого каналу ще до центрифугування і заб'є його. При отриманні великої деталі (цільнолитий мостоподібний або бюгельний протез) встановлюють один центральний ливарний канал, який потім роз'єднується на дрібніші, що підводяться до об'ємних деталей протеза (див. рис. 49).

Фактично це здійснюється так. При виливка одиночної деталі підбирають відповідний прямий металевий штифт, злегка підігрівають (щоб пальці відчували тепло) і вводять у неробочу частину моделі. Якщо деталь має невелику протяжність, то можна ввести 2 або 3 металеві штифти, схрестивши їх в одній точці (рис. 50). Таке саме розташування переважно і при виливку 2-3 деталей.

Як правило, при литті тонкостінних деталей товщиною 0,35-0,55 мм (наприклад, цільнолиті коронки та мостоподібні протези) на кожну ланку має бути встановлене по одному литнику діаметром 2-2,5 мм (рис. 51).

Якщо доводиться відливати відразу багато деталей приблизно одного й того самого обсягу, штифти встановлюють наступним

Рис. 51. Літникутворюючі штифти при литті тонкостінних деталей.

Рис. 52. Розташування литникутворюючих штифтів при виливку великої кількості однакових за обсягом деталей (а) та послідовність з'єднання воскових заготовок з центральним каналом (б).

чином: на центральний металевий штифт діаметром 3-4 мм у різних напрямках «ялинкою» приклеюють воскові штифти діаметром 1,5-2,0 мм і довжиною 0,5 см, потім до кожного воскового штифта підводять змодельовану деталь і розігрітим шпателем, розплавляючи віск штифта (а не моделі) приклеюють до воскового штифта (рис. 52).

Віскові штифти встановлюють при литті на вогнетривких моделях і на додаток до металевих штифтів. Такі штифти зручні тим, що вони можуть бути підведені до будь-якої ділянки деталі і під будь-яким кутом, в той час як металевий штифт в ці ділянки підвести не можна через неможливість його видалення перед виливком із формувальної маси, що затверділа. Якщо відливають деталь складної конфігурації різної товщини протяжності (каркаси бюгельних протезів), то воскові литникобразующие штифти встановлюють не прямі, а дещо вигнуті (рис. 53). Таке розташування литників перешкоджає деформації деталі, що відливається при затвердінні металу і охолодженні кювети.

Якість деталей може сильно постраждати внаслідок утворення усадкових раковин. Відлитий у форму метал починає тверднути із зовнішніх шарів, і деякий час поверхня виливка являє собою тверду кірку, під якою є рідкий метал. Природно, що раніше твердне залишок металу, що знаходиться над поверхнею форми. Скорочуючись при охолодженні, він втягує частинку ще розплавленого металу, що знаходиться в глибині кювети, або, зменшуючись в обсязі, не заповнює всього простору форми (рис. 54).

Щоб уникнути утворення усадкових раковин і знизити ступінь усадки деталі, створюють депо металу поза деталями, так звані муфти. Усадочні раковини як би переміщуються в ці муфти, так як останні довше є резервуаром розплавленого металу, і застигає виріб, а також залишок металу на поверхні немов втягують з муфти рідкий метал. При цьому, безперечно, має бути передбачена послідовність затвердіння; спочатку виріб, та був муфта.

Рис. 53. Взаємини литникутворюючих штифтів з восковою композицією, різною за товщиною і значною за протяжністю.

Рис. 54. Утворення усадкових раковин та їх положення в литниковій системі малих (ліворуч) та великих (праворуч) за довжиною деталей. Пояснення у тексті.

Велику роль грає правильний режим прогріву форми перед литтям.

На рис. 54, I показана виливок без компенсуючої муфти. Світла частина виливка під литником - ділянка незатверділого металу. Принаймні подальшого затвердіння у цій ділянці концентрується усадка, виявляється після вилучення деталі як поглиблення лежить на поверхні (рис. 54, 2, 3). На рис. 54, 4, 5 показано, як за допомогою муфти компенсується усадка. Внутрішня частина муфти та прилеглої частини виливки ще не затверділа. При подальшому охолодженні виливок втягує незатверділий метал з муфти і тим самим усадка переміщається в муфту.

Якщо компенсуюча муфта недостатня за обсягом, то метал у цій ділянці твердне раніше, ніж у виливку, і, отже, усадка і пористість залишаються у відлитій деталі (рис. 54, 6, 7). Якщо муфта розташована на великій відстані від виливки (більше 2,0-2,5 мм), то метал в каналі, що з'єднує їх, твердне раніше, ніж виливок, в результаті припиняється доступ розплавленого металу з муфти. В цьому випадку пори будуть як у муфті, так і у відлитій деталі (рис. 54, 8, 9).

При отриманні великої протяжності і різнооб'ємної деталі далеко від литника і муфти також може утворитися садинна раковина (рис. 54, 10). Усунути це можна, як показано на рис. 54, 11 шляхом створення додаткового ливарного каналу з муфтою. Якщо воскова композиція деталі гіпсується у верхній частині опоки, повітря в момент заливки металу не встигає вийти з форми, так як він повинен пройти через товстий шар формувального матеріалу. Це веде до утворення недоливів або пір у лиття (рис. 54, 12). Щоб уникнути це, при гіпсовці відстань між деталлю та дном опоки має бути близько 0,8-1,2 см (рис. 54, 13).

Муфта обов'язково має бути нанесена на кожен литникутворюючий штифт. Це робиться шляхом поступового нашарування по краплях розплавленого воску, або попереднім виготовленням штифта з муфтою з розм'якшеного воску. Щоб при литті тонкостінних деталей або деталей великої протяжності та різної товщини не утворювалося недоливів, в литникову систему необхідно ввести відвідні канали для повітря (рис. 55). Після встановлення литникутворюючих штифтів і розміщення воскової композиції деталі на конус підопів від тонких ділянок до конуса встановлюють штифти з воску товщиною до 1 мм. Створення відвідних каналів значно покращує якість лиття, оскільки газопроникність багатьох формувальних мас недостатня. Для правильної роботинеобхідно мати набір воскових та металевих штифтів.

Після встановлення литникової системи приступають до створення ливарної форми.

Людство використовуємо метали та його сплави кілька тисячоліть. Спочатку метали знаходили у вигляді самородків та розсипів, пізніше доісторичні племена навчилися переробляти металовмісні руди. Перевіреним способом отримання виробів із металів було лиття у земляні форми.

Відливали наконечники для стріл та мечі, сільськогосподарські знаряддя та інструменти, начиння та прикраси. За минулі з того часу тисячоліття людина винайшла безліч нових прийомів обробки матеріалів і методів лиття, включаючи лиття під тиском, форми, що газифікуються, і порошкову металургію. Старовинний спосіб також зберігся, але використовується в основному у скульптурних майстернях та художніх промислах.

Особливості лиття металів

У порівнянні з іншими матеріалами, такими, як віск або гіпс, лиття металів відрізняється деякими особливостями. Перша з них - висока температура переходу з твердого в рідкий стан. Віск, гіпс та цемент тверднуть при кімнатній температурі. Температура плавлення металів набагато вища - від 231 ° C у олова до 1531 ° C у заліза. Перед тим, як розпочати лиття металу, його необхідно розплавити. І якщо олово можна розплавити в глиняній мисці на простому багатті з підібраних поруч сучків, то для плавлення міді, не кажучи вже про залізо, знадобиться спеціально обладнана піч та підготовлене паливо.

Олово і свинець - м'які і легкоплавкі метали - можна відливати навіть у дерев'яні матриці.

Для лиття більш тугоплавких металів потрібні форми із суміші піску та глини. Деякі метали, наприклад, титан, вимагають для лиття металеві форми.

Після заливки виробу потрібно охолонути. Багаторазові матриці розбирають, одноразові форми руйнують, і виливок готовий до подальшої механічної обробки або використання.

Метали для заливання

Чорні метали

У металургійній промисловості розрізняють кольорові та чорні метали. До чорних відносяться залізо, марганець, хром та сплави на їх основі. Сюди входять усі сталі, чавуни та феросплави. Чорні метали дають понад 90% світового споживання металевих сплавів. Зі сталі виробляють корпуси та деталі транспортних засобіввід самокату до супертанкера, будівельні конструкції, побутову техніку, верстати та інше промислове обладнання.

Чавун - відмінний метал для лиття великих міцних і довговічних конструкцій, не схильних до напруги вигину або скручування.

Кольорові метали, у свою чергу, в залежності від фізичних властивостей, і перш за все, питомої ваги, діляться на дві великі групи

Легкі кольорові метали

До цієї групи входять алюміній, титан, магній. Ці метали зустрічаються рідше, ніж залізо, і коштують дорожче. Їх застосовують у тих галузях, де потрібно знизити вагу виробу — аерокосмічна промисловість, виробництво високотехнологічних озброєнь, виробництво обчислювальної та телекомунікаційної техніки, смартфонів та малих побутових приладів.

Титан завдяки своїй чудовій взаємодії з тканинами людського організму широко застосовується для протезування кісток суглобів та зубів.

Тяжкі кольорові метали

Сюди відносяться мідь, олово, свинець, цинк та нікель. Їх застосовують у хімічної промисловості, Виробництві електроматеріалів, в електроніці, на транспорті – скрізь, де потрібні досить міцні, пружні та корозійно-стійкі сплави.

Шляхетні метали

До цієї групи входять золото, срібло, платина, а також більш рідкісні рутеній, родій, паладій, осмій, іридій.

Перші три відомі людині з доісторичних часів. Вони рідко (щодо міді та заліза) зустрічалися у природі і тому служили платіжним засобом, матеріалом для цінних прикрас та ритуальних предметів.

З розвитком цивілізації золото і платина зберегли свою роль кошти накопичення багатств, проте стали широко використовуватися в промисловості та медицині через свої унікальні фізико-хімічні властивості.

Методи лиття металів

Основні методи лиття металів такі:

Традиційний метод

Метал надходить у форму під впливом сили тяжіння. Застосовуються піщано-глиняні чи металеві матриці. Недолік методу - висока трудомісткість виготовлення форм та інших операцій, важкі умови праці та низька екологічність

Лиття під низьким тиском

Модель витягають із форми, частини її збирають разом, створюють . Форму наколюють тонкими гострими голками, щоб забезпечити газовідведення. Виробляють виливок, чекають на її охолодження,

Рознімну форму, звану кокілем, виготовляють із металевих деталей. Частини матриці отримують шляхом виливки або якщо потрібно забезпечити високу якість поверхні і точність розмірів, шляхом фрезерування. Форми змащують антипригарними складами та виробляють заливку.

Після остигання кокілі розбирають, витягують виливки, очищають. Металева матрицявитримує до 300 робочих циклів.

Модель виконується не з дерева або воску, а з легкоплавкого та газифікованого матеріалу, переважно полістиролу. Модель залишається у формі та випаровується при заливанні металу.

Переваги способу:

• модель не потрібно витягувати з матриці;
• можна виготовляти моделі скільки завгодно складних виливків, не потрібні складні та складові форми;
• суттєво знижено трудомісткість моделювання та формування.

Лиття по моделях, що газифікуються, набуває великої популярності на сучасних металургійних виробництвах.

Форми для лиття

Найдавніший вид форм - це форми з піщано-глиняної формувальної суміші, або "землі". Історично центри металургії виникали поряд із місцями залягання вже готових за своїм складом для лиття пісків, наприклад, поряд із всесвітньо відомим Каслінським чавунним заводом. Суміші поділяються на обмазувальні та наповнювальні.

Для побудови будь-якої матриці потрібна модель – макет майбутнього виробу в натуральну величину, але кілька більших розмірів – на величину ливарної усадки.

Модель перешкодять по центру опалубки, або опоки, і наносять на неї шар обмазувальної суміші - термостійкої та пластичної. Потім починають пошарово, старанно трамбуючи кожен шар, заповнювати опоку наповнювальною сумішшю. Вимоги до наповнювальних сумішей набагато нижчі, ніж обмазувальні — вони повинні витримувати тиск залитого металу, зберігаючи конфігурацію виливки, і забезпечувати вихід плавильних газів. Після цього модель витягають з форми і на її місце заливають розплав.

Для виливків складної конфігурації, що мають хитромудрі деталі та внутрішні порожнини, застосовують складові моделі та форми з декількох частин.

Лиття також здійснюється і у металеві форми. Їх застосовують при великих тиражах деталей, що відливаються, в тих випадках, коли потрібна висока точність розмірів і низька шорсткість поверхні виливки, а також для деяких металів, активних у нагрітому стані. Температура плавлення матеріалу форми повинна бути істотно вище, ніж температура розплаву, що відливається.

Галузь застосування

Різні способи лиття мають свої сфери застосування.

Так, лиття в піщані форми застосовується при поодиноких виливках або малих серіях. Перевірений тисячоліттями спосіб потроху йде з промислових підприємств, але продовжує використовуватися на художніх промислах та у скульптурних майстернях.

Лиття в металеві форми застосовується у випадках, коли потрібно

• великі тиражі виливків;
• висока точність розмірів;
• висока якість поверхні.

Також лиття в метал популярне в ювелірній промисловості та у виробництві металевих прикрас.

Лиття під тиском все ширше використовується підприємствами, сфокусованими на якості своїх виробів, що стежать за екологією, охороною праці та ефективним витрачанням матеріальних та енергетичних ресурсів.

Лиття по моделях, що газифікуються, застосовується в тих випадках, коли плануються великі тиражі виливків, потрібна висока точність і економія трудомісткості.

Спосіб лиття в оболонкові формизаснований на отриманні разових напівформ та стрижнів у вигляді оболонок товщиною 6…10 мм.

Їх виготовляють шляхом затвердіння на металевому оснащенні шару суміші, в якій сполучна речовина при нагріванні спочатку розплавляється, а потім твердне (необоротно), надаючи оболонці високу міцність. Технологія лиття в оболонкові форми включає низку операцій, виконання яких при литті даним способом має яскраво виражені особливості.

До них відносяться: приготування спеціальної піщано-смоляної суміші; формування на модельному оснащенні тонкостінних оболонкових форм та стрижнів; складання форм та їх підготовка до заливання.

Для приготування оболонкових форм випускають спеціальне сполучне, що є сумішшю фенолформальдегідної смоли з каталізатором затвердіння смоли, що вводиться в кількості 7 ... 8%.

Попереднє формування оболонки найчастіше виробляють, використовуючи поворотний бункер 1, який засипають піщано-смоляну суміш 2 (рис. 19, а). На верхню частину бункера, з кільцевим каналом 3 для подачі охолоджувальної води, встановлюють моделями вниз і закріплюють нагріту до 200…240 o З металеву модельну плиту 4. На ній закріплена за допомогою чотирьох напрямних колонок 5 плита 6 штовхачів 7. Товкачі, всій плиті виходять на робочу поверхню, як моделі, так і модельної плити. Їх фіксують спеціальними хвостовиками в гніздах плити 6 і закріплюють в ній притискною плитою 8. Модельна плита з пристроєм, що виштовхує, поміщена в корпус 9. Для фіксації плити штовхачів у вихідному положенні на напрямних колонах 5 встановлені пружини 10.

Рис. 19. Технологія лиття в оболонкові форми

Для попереднього формування оболонки бункер 1, з цапфами 11 і поворотним механізмом, повертають на 180 і формувальний матеріал падає на гарячу модельну плиту (рис.19, б), ущільнюючись під дією гравітаційних сил. У прилеглому до плити шарі суміші смола плавиться (при температурі 95-115 o С), змочуючи зерна піску, а потім починає полімеризуватися, загусаючи і отверждаясь в міру прогрівання до вищої температури. За 30...40 з витримки смола встигає оплавитися в шарі завтовшки близько 10 мм.

Шар залишається на модельній плиті після повороту бункера у вихідне положення (рис19, в) і скидання на дно бункера не прореагував, що зберегла свої початкові властивості і придатної для подальшого використання частини суміші.

Тепер модельну плиту зі сформованою оболонковою напівформою знімають з бункера (рис.19, г) і подають у піч 12 (рис.19, д), де при температурі 300-400 o С за 90...120 с закінчується полімеризація, і смола набуває високої технологічну міцність. Потім готову оболонкову напівформу знімають з модельної плити (рис.19, е) та з'єднують з іншою напівформою (наприклад, склеюванням) на спеціальному пневмопресі (рис.19, ж). Для виключення прориву розплаву форми з вертикальним роз'ємом зазвичай заформовують (рис.19, з) в опорний наповнювач (пісок, дріб і т.п.). Форми невеликої висоти з горизонтальним роз'ємом найчастіше не заформовують і заливають на піддонах з піщаним ліжком. В оболонкові форми одержують виливки практично з будь-яких промислових сплавів масою до 200…300 кг..

Переваги лиття в оболонкові форми в порівнянні з литтям у піщано-глинисті разові форми полягають у наступному:

• зменшення параметрів шорсткості поверхні та суттєве покращення зовнішнього товарного виглядувиливків;
• можливість отримання виливків з тонким та складним рельєфом, а також товстостінних виливків з литими каналами малих перерізів;
• зменшення трудомісткості низки операцій технологічного процесу (приготування суміші, виготовлення форми, очищення виливків та ін.);
• скорочення у 8…10 разів і більше обсягу переробки та транспортування формувальних матеріалів;
• зменшення металоємності формувального обладнання.

Крім того, для лиття в оболонкові форми характерна менша жорсткість з оболонки, що слід розглядати як гідність методу порівняно з методами лиття в кокіль.

Основні недоліки методу лиття в оболонкові форми:

• відносно висока вартість смоляного сполучного;
• складність модельного та стрижневого оснащення;
• підвищене виділення шкідливих хімічних речовин під час термічного розкладання смоляного сполучного;
• недостатня міцність оболонок при отриманні важких виливків;
• схильність до появи деяких специфічних видів дефектів, що супроводжують низьку газопроникність ливарної форми.

.

Сутність лиття по виплавлюваних моделях зводиться до виготовлення виливків заливкою розплавленого металу в разову тонкостінну нероз'ємну ливарну форму, виготовлену з рідкорухливої ​​вогнетривкої суспензії за моделями разового використання (разові виплавлювані моделі виготовляють з легко плавких компонентів - парафін. металу, охолодженням виливки у формі та вилучення її з форми (рис. 20).

Стиснене повітря

Рис.20. Послідовність операцій процесу лиття за моделями, що виплавляються: 1 – виготовлення моделей у прес-формі; 2 - збір моделей модельний блок на металевий стояк; 3 - нанесення на модельний блок вогнетривкої суспензії; 4 - обсипання шару суспензії зернистим матеріалом у киплячому шарі

Відмінними особливостями лиття по моделях, що виплавляються, є низька теплопровідність і висока початкова температура форми, що значно знижує швидкість відведення теплоти від залитого металу і сприяє поліпшенню наповнюваності порожнини форми, але одночасно призводить до укрупнення кристалічної будови і до появи усадкових раковин і пористості в стінках. 8мм.

Керамічна суспензія дозволяє точно відтворити контури моделі, а утворення нероз'ємної ливарної форми з малою шорсткістю поверхні сприяє отриманню виливків з високою точністю геометричних розмірів і теж з малою шорсткістю поверхні, що значно знижує обсяг механічної обробки виливків. Припуск на механічну обробку становить 02-07 мм.

Заливка розплавленого металу в гарячі форми дозволяє отримувати складні за конфігурацією виливки з товщиною стінки 1...3 мм і масою від кількох грамів до кількох десятків кілограмів з жароміцних сплавів, що важко обробляються (турбінні лопатки), корозійно-стійких сталей (колеса для насосів), масовому виробництві (в авто- та приладобудуванні, інших галузях машинобудування) Рис. 21; Рис. 22.

Рис. 21. Виливки, отримані методом лиття за моделями, що виплавляються.

Рис. 22. Лиття по виплавлюваних моделях

Лиття в кокіль.Сутність кокильного лиття полягає у виготовленні виливків заливкою розплавленого металу в металеві ливарні форми, що багаторазово використовуються. кокіліз подальшим затвердінням залитого металу, охолодженням виливки та вилученням її з порожнини форми (рис. 23).

Рис.23. Лиття в металевий кокіль: 1 – стрижень; 2 - кокіль; 3 - виливок

Відмінні особливості лиття в кокіль полягає в тому, що формування виливка відбувається в умовах інтенсивної теплової взаємодії з ливарною формою, тобто залитий метал і виливок, що затвердіває, охолоджуються в кокілі з великою швидкістю, ніж у піщаній формі; кокіль практично не податливий і більш інтенсивно перешкоджає усадці виливки, що ускладнює вилучення її з кокіля, а також може призводити до витріщання і тріщин у виливках; фізико-хімічна взаємодія виливки та кокіля мінімальна, що сприяє підвищенню якості поверхневого шару виливка.

Кокілі- металеві форми - виготовляють литтям, механічною обробкою та іншими методами сірого чавуну(СЧ 15, СЧ 20 та ін), сталі (10Л, 15Л, 20Л та ін) та інших матеріалів. Стрижні та різні вставки виконують з легованих сталей (30ХГС, 35ХГСА та ін.), оскільки елементи кокіля працюють в умовах впливу високих температур і механічних навантажень.

Усі операції технологічного лиття в кокіль механізовані та автоматизовані. Кокільне лиття застосовують у масовому та серійному виробництвадля отримання виливків із чавуну, сталі та сплавів кольорових металів з товщиною стінок 3…100 мм, масою від кількох грамів до кількох сотень кілограмів (рис.24).

При лиття в кокіль скорочується витрата формувальної та стрижневої сумішей. затвердіння виливків відбувається в умовах інтенсивного відведення тепла із залитого металу, що забезпечує вищі щільність металу та механічні властивості, ніж у виливків, отриманих за допомогою піщаних форм. Виливки, виготовлені литтям у кокіль, відрізняються високою геометричною точністю розмірів та малою шорсткістю поверхні, що знижує припуски на механічну обробку вдвічі порівняно з литтям у піщані форми. Цей спосіб лиття високопродуктивний.

Недолікикокільного лиття - висока трудомісткість виготовлення кокілів, їх обмежена стійкість, складність виготовлення складних за конфігурацією виливків.

Рис. 24. Виливки, отримані литтям у кокіль

Відцентрове лиття.При відцентровому литті метал заливають у обертові форми; формування виливка здійснюється під дією відцентрових сил, що забезпечує високі щільність та механічні властивості виливки (рис. 25).

Рис.25. Шпиндельна машина для виготовлення виливків відцентровим литтям:

1 - жолоб; 2 – кришка; 3 – захисний кожух; 4 – форма; 5 – система охолодження; 6 – шпиндель; 7 – шків; 8 – станина; 9 - бетонна основа; 10 – електродвигун; 11 - клиноремна передача

Відцентровим литтям виливки виготовляють у металевих, піщаних, оболонкових формах і формах для лиття за моделями, що виплавляються на відцентрових машинах з горизонтальною або вертикальною віссю обертання.

Металеві форми - виливниці виготовляють із чавуну та сталі. Товщина виливниці зазвичай в 1,5...2 рази більша за товщину виливка. У процесі лиття виливниці ззовні охолоджують водою чи повітрям. На робочу поверхню виливниці наносять теплозахисні покриття збільшення терміну їхньої служби. Перед початком роботи виливниці підігрівають до температури 200°С.

Переваги відцентрового лиття- одержання внутрішніх порожнин трубних заготовок без застосування стрижнів; велика економія металу рахунок відсутності литниковой системи; можливість отримання двошарових заготовок, що досягається по черзі заливкою у форму різних сплавів (сталь і чавун, чавун та бронза тощо).

Лиття під тиском.Сутність лиття під тиском полягає у виготовленні виливків у металевих формах. (Прес-формах)заповненням розплавом під впливом зовнішніх сил. Затвердіння виливка протікає під надлишковим тиском або при охолодженні водою. Після охолодження виливок витягають із прес-форми (рис. 26; рис. 27).

На машинах з горизонтальною камерою пресування порцію розплавленого металу заливають у камеру пресування (рис.26 а), який плунжером 5 під тиском 40...100 МПа подається в порожнину прес-форми (рис.26 б), що складається з нерухомої 3 і рухомий 1 напівформи. Внутрішню порожнину у виливку отримують стрижнем 2. Після затвердіння виливка прес-форма розкривається (рис.26, в), витягується стрижень 2 і виливок 7 виштовхувачами 6 видаляється з робочої порожнини прес-форми.

Рис. 26. Схема процесу виготовлення виливків на машинах із горизонтально холодною камерою пресування.

Рис. 27. Вироби, одержані методом лиття під тиском

На рис. 28,а показано один з різновидів способів безперервного литтяі одержувані різної форми виливки.

Процес безперервного лиття здійснюється в такий спосіб. Розплавлений метал з металоприймача 1 через графітову насадку 2 надходить у водоохолоджуваний кристалізатор 3 і твердне у вигляді виливків 4, яка витягується спеціальним пристроєм 5. Довгі виливки розрізають на заготовки необхідної довжини. Цим способом одержують різні виливки (рис. 28,б) з паралельними утворюючими з чавуну, мідних, алюмінієвих та інших сплавів. Виливки, отримані цим способом, не мають неметалевих включень, усадкових раковин та пористості завдяки створенню спрямованого затвердіння сплаву.

Рис. 28. Схема горизонтального безперервного лити (а) та зразки виливки (б)

Відмінні риси лиття під тиском:

- значний тиск на розплав (100 МПа і більше) забезпечує високу швидкість руху потоку розплаву в прес-формі (0,5 ... 120 м / с). Це дозволяє отримувати виливки із товщиною стінки менше 1 мм;

- висока швидкістьвпуску розплаву в порожнину прес-форми не дозволяє повітрю та продуктам розкладання мастильного матеріалуповністю піти з порожнини прес-форми. Для цього використовують вакуумування порожнини прес-форми або продування камери пресування та порожнини прес-форми киснем до повного видалення повітря;

- висока інтенсивність теплової взаємодії між розплавом, виливками та прес-формою сприяє зміні структури в поверхневих шарах виливки, підвищенню її міцності тощо;

- для зменшення усадкової пористості використовується підпресування в кінцевий момент пресування, внаслідок чого підвищуються механічні властивості матеріалу виливків, і зростає їх герметичність;

- при литті під тиском температуру заливки сплаву вибирають на 10…20 про З вище за температуру ліквідуса, а прес-форму нагрівають до температури 120…320 про З.

Лиття під тиском використовуютьу масовому та великосерійному виробництвах виливків з мінімальною товщиною стінок 0,8 мм, з високою точністю розмірів та малою шорсткістю поверхні завдяки точній обробці та ретельному поліруванню робочої порожнини прес-форми; без механічної обробки або з мінімальними припусками, що різко скорочує обсяг механічної обробки виливків; із високою продуктивністю процесу.

На рис. 29 показана схема промислової установки лиття під низьким тиском металеву форму.

Рис. 29. Схема та установка для лиття під низьким тиском:

1 - тигель із розплавленим металом; 2 – металопровід; 3 – камера тигля; 4 – металева форма; 5 - виливок; 6 - повітропровід; 7 - герметизуюча кришка; 8 - нагрівачі

Недолікилиття під тиском - висока вартість прес-форм та обладнання; обмеженість габаритних розмірів та маси виливків; наявність повітряної пористості в масивних частинах виливків, що знижує міцність деталей та ін.

В даний час є ще ряд технологій отримання виливків:

- лиття під регульованим тиском (лиття під низьким тиском, лиття з протитиском, лиття вакуумним всмоктуванням та ін.);

- електрошлакове лиття. Цим способом отримують виливки відповідального призначення масою до 300 т: корпуси клапанів та засувок атомних та теплових електростанцій, колінчасті вали суднових дизелів, корпуси судин високого тиску, ротори турбогенераторів та ін.

Вибір оптимального методу виготовлення виливків.Сучасні вимоги до литих заготовок деталей машин характеризуються максимальним наближенням виливків за формою та розмірами до готових деталей, економією металу, застосуванням прогресивних методів лиття.

Вихідною інформацієюдля вибору способу виготовлення виливки є креслення деталі та технічні вимогина неї; матеріал деталі; програма випуску; параметри, якими здійснюється оптимізація способу отримання литої деталі, і т.д.