Руководство для начинающих по литью металлов

Обзор литья металла в литейном цеху

Наша жизнь наполнена литыми металлическими изделиями. Многие из металлических предметов, которые мы воспринимаем как должное — колеса поездов, сцепные устройства для прицепов, фонарные столбы, крупномасштабное промышленное оборудование и даже скульптуры — отливаются в литейном цехе. Огромное количество различных применений литого металла демонстрирует его универсальность:металл может быть отлит в прочные, сложные металлические компоненты с минимальной механической обработкой или сваркой, что снижает потребность в дорогостоящем труде. Что еще более важно, литейные заводы стали активно использовать переработанный металлолом, беря устаревшие металлические предметы и превращая их в полезную продукцию.

Что такое литье металлов?

Литье — это процесс создания твердых металлических форм (отливок) путем заполнения пустот в формах жидким металлом с последующим охлаждением объекта. Основными этапами изготовления отливок являются изготовление моделей, формование, плавление и заливка, охлаждение, вытряхивание и очистка, термическая обработка и проверка.

Создание моделей

В терминах литья «шаблон» — это копия отливаемого объекта, которая используется для придания формы полости формы. Они могут быть изготовлены из самых разных материалов, включая дерево, металл или пластик. Изготовление моделей — это процесс создания этих моделей. Поскольку модель определяет форму отливки, отливка не может быть лучше той модели, по которой она сделана. Для получения качественной отливки важно, чтобы выкройка была тщательно спроектирована, построена и обработана.

Основные функции шаблона:

сформировать полость пресс-формы
приспособиться к характеристикам металлической отливки
указать точные размеры
обеспечение средства подачи жидкого металла в форму (литниковая система)

По мере затвердевания металл имеет тенденцию сжиматься и/или деформироваться (в разной степени в зависимости от отливки). Шаблон разработан с учетом встроенной компенсации усадки и искажения. Он также должен быть построен с конусом в вертикальных стенках, называемым уклоном, который необходим для извлечения рисунка без нарушения стенок формы.

Полые отливки можно создавать с помощью стержня — дополнительного куска песка или металла, формирующего внутренние отверстия и проходы отливки. Каждый стержень помещается в форму перед заливкой расплавленного металла. Чтобы удерживать каждую сердцевину на месте, в шаблоне есть углубления, называемые отпечатками сердцевины, где сердцевину можно закрепить на месте.

Литье

Литье – это процесс подготовки формы для приема расплавленного металла. Существует два различных типа форм:многоразовые и одноразовые.

Как следует из названия, многоразовые формы можно использовать многократно. Процесс литья не разрушает форму в процессе затвердевания и охлаждения металла. Многоразовые формы обычно изготавливаются из металла.

Напротив, формы одноразового использования представляют собой временные объекты, которые разрушаются в процессе затвердевания и охлаждения металла. Наиболее широко используемым методом однократного использования формы является литье в песчаные формы, процесс, при котором специально обработанный песок («зеленый» песок) утрамбовывается вокруг модели и помещается в опору (опоку). Затем шаблон удаляется, стержни устанавливаются на место и устанавливается литниковая система, направляющая расплавленный металл в форму.

Каждая из этих общих категорий методов формования имеет множество специализированных подтипов, оптимизированных для различных металлов литья и различных уровней сложности модели. К таким методам относятся литье под давлением, литье под давлением, литье в оболочку и литье по выплавляемым моделям.

Расплавление и заливка

Различают две категории металлов, из которых изготавливают отливки:черные (металлы, содержащие железо) и цветные (металлы, не содержащие железа). Черные сплавы включают сталь, ковкий чугун и серый чугун. В литье чаще всего используются сплавы цветных металлов, алюминий и медь, однако сплавы на основе магния, никеля и титана иногда используются для специальных целей.

Металлы, которые нужно расплавить и отлить, обычно представляют собой смесь переработанного лома и легирующих металлов, загружаются для «зарядки» печи. Оказавшись внутри печи, металл подвергается чрезвычайно высоким температурам до тех пор, пока не будет достигнута точка плавления (часто превышающая 2500 градусов по Фаренгейту [1370°C]). Для достижения таких повышенных температур необходимы специальные печи.

В литейных цехах используются два основных типа плавильных печей:электродуговая и индукционная.

Дуговая электропечь работает как процесс периодической плавки, производя партии расплавленного металла, известные как «плавки». Металл плавится путем подачи электрической энергии внутрь печи через графитовые электроды. Дополнительная химическая энергия обеспечивается кислородно-топливными горелками и кислородными фурмами. Кислород впрыскивается для удаления примесей и других растворенных газов в процессе плавления. По мере плавления металла образуется шлак, который всплывает на поверхность расплавленного металла; шлак, который часто содержит нежелательные примеси, удаляется перед выпуском (процесс удаления металла из печи).

Индукционная печь передает электрическую энергию за счет индукции - источник электрического тока высокого напряжения от первичной катушки индуцирует низкое напряжение и высокий ток в стальной загрузке или вторичной обмотке. Индукционные печи способны плавить и легировать широкий спектр металлов с минимальными потерями расплава, однако, когда дело доходит до рафинирования металла, они менее эффективны, чем электродуговые печи.

Из-за своих сильных и слабых сторон электродуговые печи более широко используются для плавки черных металлов, в то время как индукционные печи преобладают для цветных металлов.

Отверждение, выброс и очистка

Тигли, роботы-манипуляторы и гравитационные разливочные машины используются для перемещения расплавленного металла из одного места в другое. Квалифицированные слесари также разливают расплавленный металл с помощью ковшей. Расплавленный металл заливается в форму через систему литников и стояков; металл охлаждается и затвердевает, постоянно принимает форму внутренней части формы (пустоты), которую он занимает. Затем отливка выталкивается из формы или вытряхивается из песчаной формы.

Ворота и стояки, которые подают расплавленный металл внутрь формы, также заполняются расплавленным металлом в процессе. Металл в форме затвердевает вместе с металлом в системе ворот и стояков, образуя единое целое. Сразу после выброса/вытряхивания металл системы затвора и райдера все еще прикреплен к основному литейному корпусу. Этот лишний металл удаляется в процессе очистки (обычно используется отбойный молоток или ленточная пила). Для очистки от любого оставшегося песка или окалины используется смесь галтовочных бочек, воздухоструйных установок и моек высокого давления.

Полученная отливка должна быть идентична по форме и пропорциям исходному образцу, хотя может быть немного меньше из-за усадки металла.

Термическая обработка и проверка

Некоторые отливки используются в сложных промышленных условиях:им может потребоваться сохранять свою точную форму при отрицательных температурах, противостоять коррозии во влажной среде или выдерживать огромный вес. Термическая обработка используется для изменения физических свойств металла до требуемых характеристик.

Термическая обработка включает в себя использование нагрева и охлаждения, часто до экстремальных температур, для снижения напряжения в отливке и/или изменения физических свойств металла. Температуру необходимо точно контролировать для достижения желаемых физических свойств.

Прежде чем производственная партия отливок может считаться завершенной, проверяются ее физические свойства и структурная целостность. Методы испытаний, которые требуют разрушения испытуемой отливки, известны как разрушающие испытания, а те, которые не повреждают отливку, относятся к категории неразрушающих.

Используемые методы тестирования зависят от того, насколько требовательны спецификации. Для некоторых чисто эстетических продуктов требуется только краткий визуальный осмотр на предмет точности размеров, трещин и чистоты поверхности. С другой стороны, если отливка будет использоваться в промышленных условиях, все ее физические свойства (пластичность, прочность на растяжение, относительное удлинение, ударные свойства, твердость и т. д.) могут быть тщательно протестированы.

Срок службы и утилизация

После того, как отливка прошла проверку, она отгружается, продается и сдается в эксплуатацию. Изделия из литого металла, особенно прошедшие термическую обработку, долговечны. В зависимости от металлического сплава и области применения срок их службы может составлять от нескольких месяцев до нескольких десятилетий. Как только срок службы отливки заканчивается, цикл начинается снова. Он собирается на свалке, перерабатывается и превращается в новый объект.

Хотите узнать больше о производстве металлических отливок на заказ? Более глубокое понимание процесса литья металла и то, как сообщить о своих потребностях производственному литейному цеху, поможет обеспечить успех вашего литейного проекта.