Общие сведения

Отливкой называется заготовка, получаемая путём расплавления металла и заливки его в специально изготовленную из огнеупорных материалов форму. Литейная форма изготавливается по модели, полностью совпадающей с размерами и формой будущей отливки.

Теория и практика технологии литейного производства на современном этапе позволяет получать изделия с высокими эксплуатационными свойствами. Детали, изготовленные из отливок, надежно работают в реактивных двигателях, атомных энергетических установках и других машинах ответственного назначения. Они используются в изготовлении строительных конструкций, металлургических агрегатов, морских судов, деталей бытового оборудования, художественных и ювелирных изделий.

В современном оборудовании отливки по массе составляют около 50% от массы заготовок, используемых для изготовления деталей оборудования.

Широкое использование отливок обусловлено рядом преимуществ литейного производства: возможностью получения разнообразных по массе и конфигурации фасонных отливок из чугуна, стали и сплавов цветных металлов; сравнительной простотой и невысокой стоимостью изготовления литых заготовок; возможностью максимального приближения размеров и формы заготовок к готовым деталям и высоким коэффициентом использования металла.

Толщина стенок отливок может колебаться в достаточно широких пределах – от 0, 5 до 500 мм и более. Масса отливок может находиться в пределах от нескольких граммов до нескольких сот тонн.

Литьём можно получать отливки, как простой, так и достаточно сложной конфигурации, которые невозможно получить другими технологическими методами. Литьём изготовляют, например, поршни и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания, рабочие колёса центробежных насосов, лопатки турбин, станины металлорежущих станков, кузнечных прессов и другие сложные детали.

Литейное производство – это технологический процесс получения металлических заготовок (отливок) путём заливки расплавленного металла в специально приготовленные формы. Система каналов, через которые литейная форма заполняется жидким металлом, называется литниковой системой.

В литейном производстве применяются сплавы, обладающие высокими литейными свойствами: высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, небольшой ликвацией и малым газопоглощением. Основными из таких сплавов являются чугуны и стали, бронзы, латуни, сплавы магния, цинка и другие сплавы. Наиболее широко используются чугун и сталь. В частности, чугунные отливки по массе составляют около 75% от производимого литья, а стальные – более 20%, остальное – отливки из сплавов цветных металлов.

Процесс изготовления отливок разделяют на два этапа.

Первый этап включает подготовку металла в плавильных печах и подготовку литейных форм.

Приготовление литейных сплавов связано с процессом плавления различных материалов. Для плавки чугуна и стали в качестве исходных материалов (шихты) используют литейные или передельные чугуны, чугунный и стальной лом, отходы собственного производства (литники, бракованные отливки, прибыли) и ферросплавы. Для выплавки цветных сплавов используют как первичные металлы и сплавы, полученные на металлургических заводах, так и вторичное сырьё, полученное после переплавки цветного лома.

Подготовка литейных форм включает в себя изготовление модельных комплектов, подготовку опочной оснастки, подготовку формовочных материалов, изготовление литейных форм.

Второй этап включает непосредственное изготовление отливки: заливку жидкого металла в литейную форму, охлаждение металла в форме, затвердевание металла, формирование отливки, охлаждение отливки в форме, выбивка отливки из формы и охлаждение отливки вне формы, очистка и обрубка отливки.

После извлечения из формы и обрубки отливка при необходимости подвергается термической и механической обработке.

В зависимости от условий эксплуатации и технических требований в качестве материала для отливок может применяться чугун, сталь или сплавы цветных металлов различных марок.

Применяются следующие виды литейных форм:

- самым распространенным видом литейных форм являются разовые песчано-глинистые формы сырые или высушиваемые по специальному режиму;

- перспективным способов литья в разовые песчаные формы является литьё в формы из холоднотвердеющих смесей ХТС;

- для получения точных заготовок применяется литьё по выплавляемым моделям;

- в качестве многоразовых форм для получения отливок широко применяется литьё в кокиль (многоразовая металлическая форма);

- для получения отливок из цветных сплавов и твёрдых сплавов применяют литьё под давлением, требующее минимальной механической обработки;

- литьё по газифицируемым моделям – это один из самых перспективных способов получения отливок, позволяет получать отливки, как для единичного опытного производства, так и для больших промышленных партий;

- вакуумно-плёночная формовка; способ изготовления литейных форм без применения специальных связующих материалов;

- для получения заготовок в виде тел вращения применяют центробежное литьё.

Второй, наиболее важный, этап формирования отливки из жидкого металла начинается с момента соприкосновения первых капель металла с формой и заканчивается полным охлаждением отливки. На этом этапе происходит формирование всех свойств отливки (конфигурации, размеров, структуры, усадочных дефектов, остаточных напряжений и т. д.).

Поэтому процесс формирования отливки в литейной форме является решающим фактором, определяющим её свойства.

Теория процессов формирования свойств отливки достаточно подробно разработана трудами Г.Ф.Баландина /3/, А.И.Вейника /7, 8/, Р.У.Раддла /14/ и других учёных.

Основные свойства отливки формируются в процессе затвердевания расплава в форме. Затвердевание расплава происходит в результате зарождения и роста кристаллов в охлаждающемся расплаве. Количество кристаллов, величина и форма их, а также преимущественная ориентация в теле отливки полностью определяют её кристаллическое строение и, следовательно, служебные свойства.

Вместе с тем, затвердевание расплава в форме сопровождается образованием различных дефектов отливки, ухудшающих её качество: неоднородность кристаллического строения, ликвация, усадочная рыхлота, газовая пористость, горячие и холодные трещины, пригар, коробление и др.

Свойства отливки во многом определяются интенсивностью и направлением отвода теплоты от затвердевающего металла. Применяя формовочные материалы с различными теплофизическими характеристиками, удаётся управлять характером кристаллизации металла и получать отливки с заданными свойствами.

При проектировании технологического процесса литья исходят из тех требований, которые предъявляются к отливкам.

Литейное производство является наиболее распространенным методом формообразования литых деталей. Преимуществами литейного производства являются изготовление заготовок с наибольшими коэффициентами использования металла и весовой точности, изготовление отливок практически неограниченных габаритов и массы, получение заготовок из сплавов, трудно обрабатываемых резанием (магниты).

Литейное производство – отрасль машиностроения, занимающаяся изготов-лением фасонных заготовок или деталей путем заливки расплавленного металла в специальную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки (детали). При охлаждении залитый металл затвердевает и в твердом состоянии сохраняет конфигурацию той полости, в которую он был залит. Конечную продукцию называют отливкой. В процессе кристаллизации расплавленного металла и последующего охлаждения формируются механические и эксплуатационные свойства отливок. После литья отливка может быть либо полностью готовым изделием, либо заготовкой. В последнем случае на отливке предусматривается припуск на механическую обработку.

Современное состояние литейного производства определяется совершенство-ванием традиционных и появлением новых способов литья, непрерывно повы-шающимся уровнем механизации и автоматизации технологических процессов, специализацией и централизацией производства, созданием научных основ проек-тирования литейных машин и механизмов.

Важнейшим направлением повышения эффективности литейного производства является улучшение качества, надежности, точности и уменьшение шероховатос-ти отливок с максимальным приближением их к форме готовых изделий путем внедрения новых технологических процессов и улучшения качества литейных сплавов, устранение вредного воздействия на окружающую среду и улучшения условий труда.

Для изготовления отливок используются сплавы черных металлов: серый, высокопрочный, ковкий и другие виды чугунов; углеродистые и легированные стали; сплавы цветных металлов: медные (бронзы и латуни), цинковые, алюминиевые и магниевые сплавы; сплавы тугоплавких металлов: титановые, молибденовые, вольфрамовые и другие.
Все сплавы, используемые для литья, должны иметь специальные литейные свойства:

- жидкотекучесть (способность сплава свободно заполнять литейную форму). Она зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки, свойств литейной формы;

- усадка (уменьшение размеров при затвердевании и охлаждении). Различают объемную и линейную усадки. Для фасонного литья допустимая усадка – не должна превышать 2, 5%;

- ликвация (дендритная, объемная, по удельному весу). Это химическая неоднородность состава сплава по объему отливки. Стали и сплавы, склонные к ликвации, требуют специальной обработки, уменьшающей ее величину;

- склонность к поглощению газов, которая может быть уменьшена специальными технологиями.

Требования к отливкам:
1) максимальная приближённость отливки по конфигурации и размерам к готовой детали;

2) заданная плотность и заданные механические свойства;

3) однородность по химическому составу и структуре;
4) минимальные внутренние напряжения;
5) гладкая и чистая поверхность отливки.

Эти требования можно обеспечить только при правильном использовании законов, обуславливающих процесс кристаллизации сплава и предопределяющих меры, способные предупредить образование в отливке различных дефектов.

Изготовление отливок начинают с ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА её изготовления.

На первом этапе проектирования на основании чертежа литой детали разрабатывается технологическая документация:

- ЧЕРТЕЖ ЭЛЕМЕНТОВ ЛИТЕЙНОЙ ФОРМЫ;

- ЧЕРТЕЖ ОТЛИВКИ с учетом технических требований на ее изготовление.

На чертеже элементов литейной формы специальными условными обозначениями дают указания, согласно которым в дальнейшем конструируют и изготовляют модельный комплект.

МОДЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКТ — комплект приспособлений, которые служат для изготовления литейной формы.

Модельный комплект состоит из моделей отливки, моделей литниковой системы, подмодельных плит и стержневых ящиков.

МОДЕЛЬ ОТЛИВКИ — служит для формирования рабочей полости формы с отпечатками под стержневые знаки;

СТЕРЖНЕВОЙ ЯЩИК — приспособление для изготовления стержней;

МОДЕЛИ ЛИТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ — служат для создания в литейной форме системы литниковых каналов;

ПОДМОДЕЛЬНАЯ ПЛИТА — служит для оформления плоскости разъема литейной формы.

МОДЕЛИ и СТЕРЖНЕВОЙ ЯЩИК используют многократно; поэтому их изготовляют из клееной древесины, гипса или алюминиевых сплавов.

ЛИТЕЙНЫЕ ФОРМЫ и СТЕРЖНИ служат один раз. Их изготовляют из формовочной и стержневой смеси вручную или машинным способом.

ФОРМОВОЧНУЮ и СТЕРЖНЕВУЮ СМЕСИ готовят на смесеприготовительном участке цеха.

Исходные формовочные материалы (песок, глину и другие составляющие дробят, просеивают, добавляют воду, смешивают в смесителях в определенных пропорциях).

ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ соответствующего состава выплавляют в плавильных печах.

На специальных формовочных машинах изготавливают литейные формы.

Литейные формы, заливают расплавом, выдерживают до затвердевания и охлаждения полученной отливки, затем отливку выбивают из формы, отправляют в отделение обрубки. Здесь отливки очищают от формовочной смеси, удаляют литники и контролируют по размерам, геометрическим параметрам и качеству поверхностей.

При определенных условиях затвердевания и охлаждения в отливках могут образовываться ДЕФЕКТЫ в виде несоответствия размеров и конфигурации, наружных и внутренних раковин, пригаров формовочной смеси, трещин, коробления и неравномерной прочности в разных частях и сечениях. Одни из этих дефектов в дальнейшем поддаются исправлению, другие неисправимы. Забракованную отливку отправляют в переплавку.

На всех этапах технологического процесса должны быть обеспечены условия, исключающие образование дефектов, а полученная отливка должна удовлетворять заданным требованиям.