Основные способы литья, некоторые особенности и материалы литейных форм

Для изготовления деталей или заготовок из металла в большинстве случаев применяют метод литья. Он считается наиболее эффективным, быстрым и надежным. Литейное производство позволяет получать отливки практически любой формы массой до 300 тонн, длиной до 20 метров и со стенками толщиной от 0,5 до 500 миллиметров. Этим методом изготавливают до 90% деталей в машиностроительной, станкостроительной и других отраслях. Это, к примеру, блоки цилиндров, коленвалы, станины, лопатки турбин, диски, зубчатые колеса и пр. В этой статье мы рассмотрим наиболее популярные способы литья и некоторые особенности форм.

Свою историю литейное производство ведет с шестого тысячелетия до нашей эры. Археологи считают, что оно зародилось на территории Месопотамии, Ирана и Турции. Затем оно распространилось по Европе, Кавказу и Северной Африке. Вплоть до 14 века литье было на примитивном уровне: изделия изготавливались штучно, а в качестве форм использовались камень, песок или глина.

С середины XIV века человек освоил изготовление чугуна, благодаря чему резко вырос ассортимент изделий и появилось серийное производство. XIX и XX века относят к промышленным: в это время началось массовое и механизированное производство отливок не только из чугуна, но и из сталей и цветных металлов. В XXI веке появилась возможность автоматизации процессов: сегодня заготовки создают при минимальном вмешательстве человека.

Типы литья

Основные способы изготовления отливок, которые используют на современных предприятиях, это:

1. Литье в кокиль. Этим термином называют металлическую форму, которую можно применять многократно. Особенность этого метода в том, что остывание заготовки происходит максимально быстро по сравнению с традиционными песчаными формами. В процессе эксплуатации в кокиле возникают значительные термические напряжения вследствие чередующихся резких нагре­вов при заливке и затвердевании отливки, и охлаждений при рас­крытии кокиля и извлечении заготовки, а также при нанесении на рабочую по­верхность огнеупорного покрытия. Кроме знакопеременных терми­ческих напряжений под действием переменных температур в мате­риале кокиля могут протекать сложные структурные изменения и химические процессы. Поэтому металлы, из которых изготавливается кокиль, особенно его части, непосредственно соприкасающееся с расплавом, должны хорошо противостоять термической усталости, иметь высо­кие механические свойства и минимальные структурные превраще­ния при температурах эксплуатации. Также они должны обладать повышенной окалиностойкостью, иметь минимальную диффу­зию отдельных элементов при циклическом воздействии темпера­тур, хорошо обрабатываться, быть недефицитными и недорогими. Наиболее широко для изготовления кокилей применяют серый и высокопрочный чугуны марок СЧ20, СЧ25, ВЧ42-12, так как эти материалы в достаточной мере удовлетворяют основным требо­ваниям и сравнительно дешевы. Для изготовления кокилей также используют низкоуглеродистые стали 10, 20, а также легированные хромом и молибденом, например 15ХМЛ. Эти материалы обладают высокой пластич­ностью, поэтому хорошо сопротивляются растрескиванию при эксплуатации. Кокили для мелких отливок из чугуна и алюминия иногда изготовляют из алюминиевых сплавов АЛ9 и АЛ11. В процессе создания они проходят процедуру анодирования, в результате чего на их рабочей поверхности образуется тугоплавкая (температура плав­ления около 2273 К) износостойкая пленка окислов алюминия толщиной до 0,4 мм. Высокая теплопроводность алюминиевых стенок кокиля способствует быстрому отводу теплоты от отливки. Зачастую процесс литья в кокиль автоматизирован, его используют при серийном или массовом производстве.
2. Литье под давлением. В классификации способов литья этот метод занимает особое место, поскольку требует дополнительного оборудования в виде пресса. Отливка твердеет под повышенным давлением, в некоторых случаях может использоваться принудительное охлаждение водой. Данная методика позволяет получать тонкостенные изделия (менее 1 мм). Механические свойства металлов из-за прессовки улучшаются.
3. Литье в песчаные формы. Это традиционный способ литья, который считается наиболее распространенным и универсальным. С его помощью можно изготавливать детали и заготовки практически любых габаритов из чугуна, стали или цветных металлов. Это самый грубый (в плане геометрической точности и шероховатости поверхности отливок), но наиболее дешевый вид литья.
4. Литье по выплавляемым моделям. В этом варианте форма изготавливается из жидкоподвижной огнеупорной суспензии. Она является разовой, в качестве основы используется парафин или жирные кислоты. Подобным способом изготавливают отливки сложной формы с относительно небольшой толщиной стенок из жаропрочных сплавов, углеродистых или коррозионностойких сталей.
5. Центробежное литье. Расплавленный металл заливается во вращающиеся в вертикальной или горизонтальной плоскости формы. На них воздействуют центробежные силы, что придает металлу повышенную плотность и прочность.

Каждая технология имеет свои нюансы и особенности, что позволяет использовать ее для создания различных типов отливок и деталей.

Требования ГОСТ

При выборе способа производства нужно обязательно учитывать потребуется ли последующая постобработка заготовки (механическая, термическая и пр.), а также в каких условиях она будет эксплуатироваться.

Согласно ГОСТу 26645-85, для отливок предусмотрено 22 класса точности. Последние зависят от их пропорций, типа материалов и используемого способа литья.  Этот государственный стандарт устанавливает допуски размеров, геометрии, расположения и неровностей поверхности, а также допуски массы отливок из черных и цветных металлов или сплавов.  На отливках могут наблюдаться различные дефекты: наплывы, раковины, посторонние включения и другие. Поэтому для ответственных поверхностей назначается припуск на механическую обработку.

ГОСТ 26645-85 определяет следующие нормы точности отливки:

• класс размерной точности;
• степень коробления элементов;
• степень точности поверхности;
• значение шероховатости поверхности;
• класс точности массы;
• припуск на сторону на механическую обработку (черновую, получистовую, чистовую, тонкую).

Нормы точности отливки указываются в технических требованиях чертежа детали с нанесенными размерами.

Особенности литейных форм

Чтобы придать заготовке необходимый вид, используются формы. Они изготавливаются как из неметаллических составов (песок, керамика, графит, дерево и пр.), так и из металла (кокиль, изложница и т. д.). Существуют одноразовые и многоразовые формы. Основными элементами в них являются рабочая полость, в которой застывает металл, а также литниковая система, через которую металл подается.

Рабочая часть соответствует форме отливки, которую нужно получить. Обычно она немного больше по размеру, поскольку в процессе остывания металл усаживается, а после процесса его нужно будет обработать, подогнав под заданные параметры. Если в детали должны быть отверстия или полости, то для этого в форму устанавливают специальные стержни, которые формируют внутренние полости.

Литниковая система, как сказано выше, необходима для того, чтобы подвести расплавленный металл в рабочую часть, а также для питания заготовки в процессе застывания. Обычно она состоит из:

1. Воронки, в которую заливается состав.
2. Стояка и дросселя, при помощи которого можно регулировать скорость поступления расплавленного металла. Также он необходим для того, чтобы в систему не засасывался воздух.
3. Шлакоуловителя. Необходим для фильтрации расплава от шлака и других включений.
4. Питателя. Он подает расплав непосредственно в рабочую полость.
5. Выпора. Необходим для того, чтобы стравливать воздух и газы, которые образуются в процессе заливки.

Применяемые материалы

В современном литейном деле в большинстве случаев используются не чистые металлы, а их сплавы. Они отличаются повышенными эксплуатационными характеристиками, устойчивостью к механическим нагрузкам и продолжительным сроком службы.

Существует два типа литейных сплавов — черные и цветные. К первому относятся чугуны (белый, серый, ковкий, высокопрочный, половинчатый и пр.), а также стали (углеродистые, легированные, жаропрочные и т. д.). Ко второму типу относят тяжелые (никелевые, цинковые, медные) и легкие сплавы, плотность которых не превышает 5000 кг/м³ (алюминиевые, титановые, магниевые, литиевые).

К основным литейным свойствам металлов относятся жидкотекучесть, степень усадки, склонность к ликвации (неоднородности в разных частях) и образованию трещин. При создании сплава необходимо добиваться того, чтобы в нем было как можно меньше ценных составляющих, но при этом он должен отвечать всем требованиям и характеристикам. Существуют специальные способы литья, которые повышают качества заготовок, например, под давлением или центробежное, но в целом от правильности подбора сплава напрямую зависит качество будущей заготовки.