Понимание литья металлов: процесс, преимущества и применение

Что такое литье металлов

Жидкостное формование металлов, или литье, обычно относится к технологическому способу, при котором жидкий металл разливают в литейную форму, соответствующую форме и размеру детали, затем охлаждают и затвердевают, чтобы получить заготовку или деталь.

Технологический процесс

Жидкий металл → наполнение формы → затвердевание с усадкой → литая деталь

Технологические характеристики:

• Можно изготавливать детали сложной формы, особенно с сложной внутренней полостью.
• Высокая адаптивность: практически нет ограничений по типу сплава и размеру деталей.
• Широкий сырьевой ресурс, возможность переработки литейного лома и низкие инвестиции в оборудование.
• Высокая доля отходов, низкое качество поверхности и тяжелые рабочие условия.

Классификация литья

Песчаное литье

Способ литья, при котором детали изготавливают в песчаной форме. Широко применяется для чугуна, стали и большинства цветных сплавов.

Технологический процесс песчаного литья

[Схема процесса]

Технологические характеристики песчаного литья

• Подходит для заготовок сложной формы, особенно со сложной внутренней полостью.
• Широкая применимость и низкая стоимость.
• Для материалов с плохой пластичностью (например, чугун) песчаное литье — единственный способ изготовления соответствующей детали или заготовки.

Применение песчаного литья

Блоки цилиндров автомобильных двигателей, головки блоков, коленвалы и другие литья.

Литье в растворимых моделях (прецизионное литье)

Обычно относится к способу литья, при котором модель изготавливают из плавкого материала, а поверхность модели покрывают несколькими слоями огнеупорного материала для получения оболочки. Затем модель расплавляют и удаляют из оболочки, получая литье без разделительной плоскости; после высокотемпературной обжига оболочку можно засыпать песком.

Технологический процесс литья в растворимых моделях

[Схема процесса]

Технологические характеристики литья в растворимых моделях

Преимущества

• Высокая размерная и геометрическая точность.
• Высокая чистота поверхности (низкая шероховатость).
• Можно лить детали сложной формы, неограниченный выбор литейных сплавов.

Недостатки

• Сложный технологический процесс и высокая стоимость.

Применение

Литье в растворимых моделях (выплавляемые модели) подходит для деталей со сложной формой, высокими требованиями к точности или мелких литьев, которые можно изготовить только этим способом, например лопатки турбинных двигателей.

Литье под давлением (давливка)

Технологические характеристики литья под давлением

Преимущества

• Жидкий металл испытывает высокое давление и высокую скорость наполнения.
• Хорошее качество изделий, стабильные размеры, хорошая взаимозаменяемость.
• Высокая производительность и многократное использование форм.
• Предпочтительно для массового производства, хорошая экономическая эффективность.

Недостатки

• Детали легко образуют поры и полости.
• Литье под давлением имеет низкую пластичность, не подходит для работы под нагрузкой и вибрацией.
• Низкий ресурс формы для высокоплавких сплавов, ограничивает расширение производства.

Низкодавленное литье

Метод наполнения литейной формы жидким металлом под низким давлением (0.02–0.06 МПа) и кристаллизации под давлением для получения литья.

Технологический процесс низкодавленного литья

[Схема процесса]

Технологические характеристики низкодавленного литья

• Давление и скорость литья регулируются, применимо к различным типам форм (металлическим, песчаным и др.), различным сплавам и размерам заготовок.
• Кристаллизация под давлением: плотная структура литья, четкий контур, гладкая поверхность, высокие механические свойства — особенно полезно для крупных тонкостенных деталей.
• Исключена наполовину (feeding head), коэффициент утилизации металла до 90–98%.
• Низкая трудоемкость, хорошие условия труда, простое оборудование, легко механизировать и автоматизировать.

Применение

Традиционные изделия: головки блоков, 휠-диски, цилиндровые рамы.

Центробежное литье

Способ литья, при котором жидкий металл разливают в вращающуюся форму, наполняют её и затвердевают под действием центробежной силы.

Технологический процесс центробежного литья

[Схема процесса]

Технологические характеристики центробежного литья

Преимущества

• Почти нет металлопотерь на систему вливания и подливки; выход процесса значительно повышается.
• При производстве полых литьев не нужны сердечники, что значительно повышает заполняющую способность металла для длинных трубчатых заготовок.
• Литье имеет более высокую плотность, меньше пор, шлаковых включений и других дефектов, более высокие механические свойства.
• Удобно изготавливать композитные металлические литья (цилиндры, втулки).

Недостатки

• Ограничения в производстве профильных литьев.
• Неточный диаметр внутренней полости, шероховатая поверхность, низкое качество, большой припуск на механическую обработку.
• Склонность к сегрегации по удельной массе.

Применение

Центробежное литье впервые применяли для производства чугунных труб. Используется в металлургии, горном деле, транспорте, дренаже и орошении, авиации, обороне, автопроме для производства стальных, чугунных и цветных углеродистых сплавов. Чаще всего — чугунные трубы, втулки цилиндров ДВС и втулки валов.

Вакуумное литье под давлением

Продвинутый процесс литья под давлением, устраняющий или значительно снижающий поры и растворенные газы в литьях за счет удаления газов из полости формы во время литья, тем самым улучшая механические свойства и качество поверхности.

Технологические характеристики:

Преимущества вакуумного литья под давлением:

• Устраняет или уменьшает поры в литье, улучшает механические свойства и качество поверхности, улучшает покрываемость.
• Снижает противодавление в полости, позволяет использовать сплавы с низким удельным давлением и плохой литейностью; возможно литье крупных деталей на малых машинах.
• Улучшаются условия наполнения, можно литье тонкостенных деталей.

Недостатки вакуумного литья под давлением:

• Сложная структура формы, трудное изготовление и установка — высокая стоимость.
• При плохом контроле эффект может быть незначительным.

Литье в выгораемых моделях (газифицируемые модели)

Новый тип литья: парафиновые или пенные модели, похожие по размеру и форме на литья, склеивают в кластеры. Наносят огнеупорное покрытие и сушат, закапывают в сухой кварцевый песок и вибрируют модель. При литье под вакуумом модель газифицируется, жидкий металл занимает её место, и после охлаждения и затвердевания получается литье.

Технологические характеристики:

• Высокая точность литья, не нужен сердечник — сокращается время производства.
• Нет разделительной плоскости, гибкий дизайн, высокая степень свободы.
• Чистое производство без загрязнения.
• Снижены инвестиции и производственная стоимость.

Применение литья в выгораемых моделях:

Подходит для точных литьев различных размеров со сложной структурой, без ограничений по типу сплава и партии. Например, чугунный корпус двигателя, колено из высокомарганцевистой стали.

Непрерывное литье

Продвинутый метод литья: расплавленный металл непрерывно разливают в специальную металлическую форму (кристаллизатор). Затвердевшая (окороченная) заготовка непрерывно вытягивают с другого конца формы, получая литье любой длины или заданной длины.

Технологические характеристики:

• Хорошие механические свойства благодаря быстрому охлаждению, мелкокристаллической и однородной структуре.
• Экономия металла, повышение выхода.
• Снижение трудоемкости за счет упрощения процесса, исключения формования и других операций.
• Непрерывное литье способствует механизации и автоматизации, повышению производительности.

Применение непрерывного литья:

Можно использовать для длинных литьев постоянного сечения из стали, чугуна, медных, алюминиевых, магниевых сплавов: слитки, плиты, бруски, трубы и др.