Примеры черных и цветных металлов
В чем разница между черными и цветными металлами? Черные металлы (от латинского ferrum, что означает железо) имеют в своей основе…
Литьё металлов — это производственный процесс, включающий плавку металлов и заливку их в формы для получения изделий определённой формы. Этот метод широко применяется в промышленности для производства различных деталей, а также в изящных искусствах — например, в скульптуре и изготовлении ювелирных изделий. В 2020 году рынок литья железа и стали был оценён в 145,97 миллиарда долларов США. Ожидается, что с 2021 по 2027 год рынок будет расти со среднегодовым темпом в 5,4%.
История литья металлов насчитывает более 7000 лет. За прошедшие века процесс литья постоянно совершенствовался и развивался. Сегодня технологии позволяют многократно производить детали сложнейших форм, зачастую недостижимых никакими другими методами.
В наши дни услуги по литью металлов используются настолько широко, что изделия, изготовленные этим способом, встречаются повсюду — независимо от сферы деятельности. Примеры литых металлических изделий: блоки двигателей, пожарные гидранты, электродвигатели, инструменты, светофоры, люки, трубопроводы, клапаны и различные соединительные элементы.
В этой статье мы подробно рассмотрим процесс литья металлов, разберём его суть, виды и особенности работы различных технологий.
Процесс литья позволяет изготавливать металлические изделия требуемой формы путём нагрева металлов выше температуры их плавления и заливки расплава в формы. Жидкий металл заполняет пустоты формы, точно повторяя её форму. После охлаждения и затвердевания металл извлекается из формы и отправляется на последующую обработку — для улучшения внешнего вида, нанесения покрытий и других финишных операций.
Литьё металлов ограничивается лишь фантазией производителя — с его помощью можно создавать изделия самой сложной конфигурации.
Этот способ особенно предпочтителен для сложных геометрических форм за счёт своей экономичности и простоты по сравнению, например, с ЧПУ-обработкой. Однако литьё широко применяется и для простых изделий благодаря высокой скорости и большим объёмам производства.
Современные методы литья позволяют получать изделия, максимально близкие к готовой форме, что значительно снижает необходимость в удалении облоя и других дополнительных операциях.
Популярность литья металлов обусловлена его изначальной простотой — для получения готовых изделий не требовалось сложного оборудования или современных технологий.
Именно поэтому даже древние армии использовали этот метод для изготовления оружия и инструментов. Однако со временем процесс литья был усовершенствован: появились дополнительные этапы, позволяющие гарантировать высокое качество конечных изделий. Рассмотрим типовой процесс литья металлов, применяемый сегодня в промышленности.
Создание формы — пожалуй, самый важный этап процесса литья. Качество формы напрямую определяет качество готового изделия. Способ изготовления формы зависит от типа металла, геометрии детали, объёма производства и требуемого качества поверхности. После определения этих характеристик выбираются соответствующие материалы и метод.
Форма создаётся как отрицательное изображение требуемой детали. Материал формы должен выдерживать высокие температуры расплава и легко отделяться от изделия после затвердевания. Для изготовления форм применяются песок, гипс, огнеупорные суспензии и керамические массы. Некоторые формы одноразовые, другие — многоразовые.
Металл нагревается выше точки плавления до состояния жидкой массы. Необходимо максимально очистить расплав от загрязнений и шлаков. В форму могут быть добавлены элементы, предотвращающие попадание шлака в отливку. Жидкий металл заливают в литниковую чашу на вершине формы, затем он по литниковым каналам и питателям поступает в полость формы.
Менее вязкие металлы легко заполняют форму и воспроизводят мельчайшие детали. Металлы с высокой вязкостью обеспечивают спокойное заполнение формы, что снижает вероятность дефектов, например, пористости. Скорость затвердевания и качество отливки также зависят от вязкости расплава.
В случае одноразовой формы её разрушают для извлечения готового изделия.
При литье в постоянные формы предусмотрены различные механизмы открытия для доступа к отливке и её извлечения. Такие формы могут использоваться многократно.
Отливка, извлечённая из формы, требует дополнительной обработки. При заливке металла также заполняются литники, питатели и вентиляционные каналы — они затвердевают вместе с основной деталью и удаляются. Часто требуется дополнительная обработка поверхности.
Если это необходимо, изделие подвергается очистке и нанесению защитных покрытий.
Литьё осуществляется из различных металлов — алюминия, цинка, стали, чугуна и других. Каждый металл обладает уникальными свойствами, что требует индивидуального подхода к выбору технологии для получения наилучшего результата.
Кроме того, выбор метода зависит от состава сплава, геометрии детали, стоимости, требуемого качества, объёма производства и эксплуатационных характеристик.
Процессы литья подразделяются по двум признакам: по сроку службы формы (одноразовые и многоразовые формы) и по методу заполнения формы сплавом (гравитационное, под давлением или вакуумное литьё). В данной статье рассмотрим классификацию по признаку срока службы формы — одноразовые и многоразовые формы.
Процессы литья в одноразовые формы используют формы, которые применяются только один раз. Такими формами пользуются при песчаном, оболочковом литье, литье по выплавляемым моделям и других технологиях. Однако стоит отметить, что не всегда формы утилизируются после использования — если это возможно, производители стараются их восстановить для повторного применения.
Рассмотрим подробнее некоторые технологии литья в одноразовые формы:
В песчаном литье в качестве материала для формы используется песок. Он дешев, доступен, пластичен и отлично выдерживает высокие температуры. Для литья применяют влажный (зелёный) и сухой песок.
Форма из песка создаётся по негативу детали, затем в неё заливается расплавленный металл. После затвердевания песок удаляется, а изделие извлекается.
Песчаное литьё — один из древнейших методов. Оно остаётся востребованным и сегодня благодаря простоте, универсальности и низкой стоимости.
Метод позволяет получать изделия от нескольких сантиметров до десятков метров длиной и весом от 75 граммов до нескольких тонн.
Однако песчаное литьё не обеспечивает высокого качества поверхности, поэтому больше подходит для крупных изделий, которые впоследствии можно доработать до гладкости.
Гипсовое литьё — разновидность песчаного литья, где для изготовления формы используется гипс вместо песка.
Оболочковое литьё — это разновидность песчаного литья, но вместо сыпучего песка используется тонкая твёрдая песчаная оболочка.
Для создания оболочки сначала изготавливают модель детали. Модель нагревается и погружается в смесь песка с термореактивной смолой. Смесь обволакивает модель, повторяя её форму, а смола затвердевает. Затем оболочка дополнительно пропекается в печи. Готовую оболочку размещают в поддерживающем материале и заливают в неё расплавленный металл. После затвердевания изделие извлекают.
Преимущества оболочкового литья — снижение требований к рабочей силе (при автоматизации), увеличение производительности, повышение точности размеров.
Однако оболочковое литьё несколько дороже песчаного из-за использования смолы. Кроме того, возможны проблемы с прочностью материала и высокой пористостью. Если процесс не автоматизирован, увеличиваются и затраты на труд.
Литьё по выплавляемым моделям (инвестиционное литьё, литьё по выплавляемому воску) позволяет получать высокоточную продукцию.
Процесс начинается с изготовления восковой модели с помощью металлических пресс-форм. Несколько восковых моделей собираются с помощью литников, питателей и литниковой чаши — это позволяет отливать сразу несколько деталей.
Собранная восковая “ёлка” несколько раз окунается в огнеупорную суспензию, формируя оболочку по всей сборке.
Затем восковая модель с оболочкой нагревается, воск вытекает и может быть использован повторно.
Оставшаяся оболочка становится формой для литья. В неё заливают расплавленный металл, который после затвердевания образует нужную деталь.
Литьё по выплавляемым моделям — крайне точный процесс. Его применяют для сложных компонентов, требующих высокой точности, например, роторов турбонаддува. Метод также обеспечивает отличное качество поверхности.
Однако данный способ дороже песчаного и оболочкового литья, а также имеет ограничения по размерам и глубине отверстий. Внедрение стержней усложняет процесс, что требует особого внимания.
Эти технологии предполагают использование постоянных форм, пригодных для многократного применения. Нет необходимости изготавливать форму для каждой отливки, как в случае с одноразовыми формами. Это особенно выгодно для изделий с высокой точностью, сложной геометрией и отличным качеством поверхности.
К основным видам литья в многоразовые формы относятся:
Литьё под давлением предполагает использование металлической формы (пресса) для изготовления других металлических изделий. Форма, как правило, изготавливается из цветных сплавов алюминия, меди или цинка, но применяются и стальные формы.
Металлические формы дороги в изготовлении, однако служат очень долго. Поэтому литьё под давлением идеально для массового производства.
В отличие от других методов, литьё под давлением больше подходит для мелких и средних деталей с высокими требованиями к качеству поверхности.
Существует два основных вида литья под давлением: гравитационное и под давлением. При гравитационном литье расплав заполняет форму под действием собственного веса, а каналы и полости формы спроектированы так, чтобы металл свободно поступал во все участки.
Литьё под давлением предполагает впрыск расплава под высоким давлением, что даёт большую гибкость в проектировании формы, но требует больших затрат и высокой квалификации.
Литьё под давлением отлично подходит для сложных форм, а гравитационное — для простых и менее дорогих изделий.
Центробежное литьё использует центробежную силу для изготовления кольцеобразных деталей. Чаще всего применяется для стандартных заготовок — труб и других круглых профилей.
Благодаря сочетанию действия силы тяжести и давления, можно получать изделия тонкостенной структуры и высокой точности.
Расплавленный металл подаётся в центр вращающейся формы, и под действием центробежной силы равномерно распределяется по периметру, образуя кольцевую заготовку. Добавляя различные материалы слоями, можно получать, например, чугунные трубы с внутренним цементным покрытием для защиты от коррозии.
Центробежная сила также позволяет заливать вязкий металл в мельчайшие полости, формируя сложные и изящные изделия — этот метод часто используется и для создания ювелирных украшений.
Машины для центробежного литья бывают горизонтальными и вертикальными. Горизонтальные подходят для длинных изделий, таких как трубы, а вертикальные — для коротких, например, подшипников.
Преимущества метода: отсутствие необходимости в стержнях, превосходная структура металла, отсутствие ограничений по длине, толщине стенки и диаметру.
Центробежное литьё — оптимальный вариант для тонкостенных цилиндров. Среди недостатков: ограничения по форме, невозможность работы с малыми диаметрами и ограниченное число подходящих сплавов. Примеси концентрируются в центре изделия и обычно удаляются механической обработкой.
Непрерывное литьё, или литьё на разлив, позволяет получать изделия постоянного поперечного сечения непрерывным способом.
Расплавленный металл из печи аккуратно заливают в промежуточный ковш, откуда он поступает в водоохлаждаемую форму требуемого сечения. Охлаждение ускоряет затвердевание металла.
Затвердевающая заготовка вытягивается роликами и дополнительно формируется до нужных размеров. После завершения затвердевания изделие разрезают на стандартные заготовки.
Преимущества непрерывного литья: высокая производительность, точность, снижение отходов, улучшенная структура металла.
Однако метод требует серьёзных первоначальных вложений, а готовая продукция может содержать внутренние дефекты и иметь не лучший внешний вид.
Литьё металлов — эффективный и экономичный способ производства надёжных металлических изделий. Существует множество вариантов литья, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения, определяющие область применения.
Например, песчаное литьё идеально подходит для единичных и сложных изделий, тогда как литьё под давлением — лучший выбор для массового производства сложных деталей.
Формы для литья делятся на одноразовые и многоразовые: одноразовые разрушаются после каждого применения, как в песчаном литье, а многоразовые сохраняют работоспособность от нескольких дней до нескольких лет.
Универсальность процесса литья делает его незаменимым в различных отраслях — от автомобилестроения до авиакосмической промышленности, обеспечивая высокую точность и воспроизводимость производства сложных деталей.
