Методы литья металлов

Доклад по физике на тему:

По нынешнему размаху промышленности современная цивилизация всего за один год перерабатывает металл в таком объеме, на добычу которого в прежние времена ушла бы как минимум пара столетий. И дело не только в усовершенствованных технологиях и возросшей скорости производственных процессов. Такой объем металлопромышленной продукции — насущная потребность современного человечества.

В докладе по физике о литье металлов нельзя не уделить немного внимания зарождению и развитию литейного дела. Способность железа застывать в заданной форме при определенных условиях была высоко оценена людьми еще в древности. По предположениям многих ученых и исследователей, знакомство человечества с металлом осуществилось посредством метеоритов.

Метеоритное железо обладало всеми характеристиками, необходимыми для успешного литья (плавкостью и т. д. ). Именно это вещество положило начало зарождению литейного дела.

Древние люди довольно быстро изучили основы процесса «укрощения» металла, после чего наступила стадия развития литья как составляющей жизнедеятельности.

К эпохе Средневековья литейное дело было уже крупной отраслью с большим оборотом денежных средств.

На протяжении многих веков человечество постигало тайны металла и не напрасно. Сейчас познание уже достигло такого высокого уровня, что практически любой мастер-любитель может в домашних условиях изготовить простую и небольшую металлическую деталь.

Рабочей частью этой емкости служит полость определенного формата. Она задает помещенному в нее материалу нужные параметры — форму и размер, поверхность и ее качество.

Последующий этап — термовременной переход вещества из жидкого в твердое агрегатное состояние.

На этом этапе материал, который залили в полость, охлаждается и затвердевает, в результате чего приобретает заданные литейной формой габариты, конфигурацию и прочие характеристики. Полученные изделия называются отливками.

Литейное производство — это метод изготовления фасонных заготовок деталей посредством заливки металла в расплавленном состоянии внутрь заранее подготовленной полой формы, имеющей нужную конфигурацию. После отвердевания и охлаждения материала в полости образуется отливка-заготовка детали.

Стоит подчеркнуть, что полученный результат литейного производства — это именно заготовка, а не копия детали.

Произведенная отливка при правильном проведении процесса создания максимально приближена по размерам и форме к оригинальной детали, но все же не повторяет ее полностью. Посредством литья невозможно получить точную копию.

Наименование литья применимо ко всему, что получают посредством процесса отлива металлов. Эта категория представлена не только продукцией литейного производства, но и художественными изделиями, а также продуктами народных промыслов.

Области применения

Технологический процесс литья металлов отличается востребованностью, так как его применение позволяет производить разнообразную продукцию высокого качества, не прибегая к громоздкому оборудованию и огромному количеству работников.

Этот способ производства используется для создания и выпуска различных металлических изделий, которые, в свою очередь, широко применяются в следующих отраслях:

• автомобилестроительной;
• авиационной;
• машиностроительной;
• электротехнической;
• медицинской (в частности — стоматологической и ортопедической);
• ювелирной и т. д.

На современном рынке металлопромышленности эта производственная технология пользуется высочайшим спросом. Более того, литье металлов входит в топовую десятку лучших мировых технологий, наиболее эффективных и самых применяемых.

Классификация литья

Литье включает в себя множество подкатегорий, значительно отличающихся друг от друга по самым разным критериям. Классификация литья металлов на основные разновидности отображена в таблице.

Основными критериями считаются материал изделия и технология отлива. Поэтому стоит рассмотреть относящиеся к ним категории подробнее.

Материал отливок

Литью поддаются все существующие металлы, но их пригодность для этого процесса далеко не одинакова. Они отличаются друг от друга по своим литейным свойствам — ключевым параметрам для процесса.

Главным показателем пригодности материала для литья служит его жидкотекучесть. Этот параметр отражает способность к заполнению литейной формы любой конфигурации.

Степень жидкотекучести вещества находится в зависимости от следующих его характерных особенностей:

• химического состава;
• внутренней структуры;
• температуры плавления.

Материал для отлива должен обладать высоким значением жидкотекучести. Для этого у него, в частности, должна быть низкая температура плавления.

Чем ниже этот показатель у материала, тем легче производится его отлив и, соответственно, тем меньше затрат требует производственный процесс.

Именно поэтому самые востребованные и распространенные в промышленности металлы — это обладатели низкой температуры плавления.

Металлы, пригодные для литья и активно применяемые в этом процессе, делятся на три категории:

• черные;
• цветные;
• редкоземельные.

Кроме того, иногда в отдельную категорию выделяются сплавы, в основу которых положены черные или цветные металлы (например, для первых это чугун с шаровидным графитом). К группе черных металлов относятся отливки из сплавов на основе железа:

• стали;
• ковкого чугуна;
• литейного чугуна.

Редкоземельными металлами называются 17 элементов периодической системы Менделеева. Разумеется, по востребованности в металлопромышленности они значительно уступают масштабам литья черных и цветных металлов.

Что касается цветных металлов, то они представлены драгоценными материалами, а также веществами, не включающими в свой состав большого количества железа:

• алюминием;
• бронзой;
• висмутом;
• золотом;
• латунью;
• медью;
• магнием;
• никелем;
• оловом;
• платиной;
• свинцом;
• серебром;
• титаном;
• цинком и т. д.

Для каждого вида материала в соответствии с его свойствами и характеристиками определены предпочтительные технологии отлива. Это позволяет произвести изделие с нужными параметрами и качествами, а также, что не менее важно, избежать брака.

Технология производства

С момента возникновения литейного производства и до настоящего времени было разработано множество различных техник отлива, отличающихся по условиям. Так как этих технологий очень много и охватить их все в рамках одного доклада невозможно, стоит рассмотреть главные из них. К основным способам литья металлов относятся следующие:

• статический;
• центробежный;
• под давлением.

Статическое литье выражается в заливке материала в неподвижную форму. Это самый часто применяемый метод и, вероятно, наиболее легкий и простой. Металл, который расплавили, заливают в полость неподвижной литейной емкости пока та не заполнится. Затем материал выдерживают в форме до его отвердевания.

Центробежный тип литья подразумевает заливку расплавленного материала в специальную металлическую или песочную форму, которая вращается вокруг оси (горизонтальной или вертикальной).

Этот способ отлива отличается экономичностью, к тому же для производства определенных видов продукции он подходит гораздо больше, чем отлив статического типа. К такой продукции относятся кольца и трубы осесимметричного типа и многое другое.

Особым спросом пользуются изготовленные центробежным способом заготовки с формой тел вращения — это всевозможные втулки, роторы, гильзы и т. д.

Метод отливки под давлением отличается:

• высокой производительностью;
• высоким качеством;
• точными размерами изделия, что сводит потребность в его последующей механической обработке к минимуму.

Суть процесса выражается в следующем — автоматический литейный механизм наполняет специальную пресс-форму из металла (матрицу для отливки) расплавленным материалом под давлением в диапазоне 7−700 МПа. Отливки, произведенные таким методом, широко применяются в качестве составных деталей при сборке автомобилей, компьютеров и большой части бытовой техники.

Стоит также отметить, что различные виды литья металлов могут применяться как по отдельности, так и в объединенном (совмещенном) варианте — например, литье электрошлакового типа в кокиль и т. п.

Изучение процесса литья входит в школьную программу и относится к физике за восьмой класс. Такой доклад на тему литье металлов поможет учащимся в усвоении изучаемого материала.

Литье металлов

Человечество используем металлы и их сплавы несколько тысячелетий. Сначала металлы находили в виде самородков и россыпей, позже доисторические племена научились перерабатывать металлосодержащие руды. Проверенным способом получения изделий из металлов было литье в земляные формы.

Литье в песчаные формы

Отливали наконечники для стрел и мечи, сельскохозяйственные орудия и инструменты, утварь и украшения.

За прошедшие с тех пор тысячелетия человек изобрел множество новых приемов обработки материалов и методов литья, включая литье под давлением, газифицируемые формы и порошковую металлургию.

Старинный способ также сохранился, но используется в основном в скульптурных мастерских и художественных промыслах.

Особенности литья металлов

По сравнению с другими материалами, такими, например, как воск или гипс, литье металлов отличается некоторыми особенностями. Первая из них — высокая температура перехода из твердое в жидкое состояние. Воск, гипс и цемент затвердевают при комнатной температуре.

Температура плавления металлов гораздо выше — от 231 °C у олова до 1531 °C у железа. Перед тем, как приступить к литью металла, его необходимо расплавить.

И если олово можно расплавить в глиняной плошке на простом костре из подобранных рядом сучьев, то для плавления меди, не говоря уже о железе, понадобится специально оборудованная печь и подготовленное топливо.

ОловоСвинец

Олово и свинец — самые мягкие и легкоплавкие металлы — можно отливать даже в деревянные матрицы.

Для литья более тугоплавких металлов потребуются формы из смеси песка и глины. Некоторые металлы, как, например, титан, требуют для литья металлические формы.

После заливки изделию требуется остыть. Многоразовые матрицы разбирают, одноразовые формы разрушают, и отливка готова к дальнейшей механической обработке или к использованию.

Черные металлы

В металлургической промышленности различают цветные и черные металлы. К черным относятся железо, марганец, хром и сплавы на их основе. Сюда входят все стали, чугуны и ферросплавы.

Черные металлы дают более 90% мирового потребления металлических сплавов.

Из стали производят корпуса и детали транспортных средств от самоката до супертанкера, строительные конструкции, бытовую технику, станки и другое промышленной оборудование.

Чугун

Чугун — отличный металл для литья крупных прочных и долговечных конструкций, не подверженных напряжениям изгиба или скручивания.

Цветные металлы, в свою очередь, в зависимости от физических свойств, и прежде всего, удельного веса, делятся на две большие группы

Легкие цветные металлы

В эту группу входят алюминий, титан, магний. Эти металлы встречаются реже, чем железо, и стоят дороже. Их применяют в тех отраслях, где нужно снизить вес изделия — аэрокосмическая промышленность, производство высокотехнологичных вооружений, производство вычислительной и телекоммуникационной техники, смартфонов и малых бытовых приборов.

Титан

Титан благодаря своему отличному взаимодействию с тканями человеческого организма широко применяется для протезирования костей суставов и зубов.

Сюда относятся медь, олово, свинец, цинк и никель. Их применяют в химической промышленности, производстве электроматериалов, в электронике, на транспорте – везде, где требуются достаточно прочные, упругие и коррозионно-стойкие сплавы.

МедьЦинкНикель и его сплавы

В эту группу входят золото, серебро, платина, а также более редкие рутений, родий, палладий, осмий, иридий.

Золото и платина

С развитием цивилизации золото и платина сохранили свою роль средства накопления богатств, однако стали весьма широко использоваться в промышленности и медицине из-за своих уникальных физико-химических свойств.

Методы литья металлов

Основные методы литья металлов следующие:

Традиционный метод

Металл поступает в форму под действием силы тяжести. Применяются песчано-глиняные или металлические матрицы. Недостаток метода — высокая трудоемкость изготовления форм и других операций, тяжелые условия труда и низкая экологичность

Литье под низким давлением

Суть метода заключается в том, что тигель с металлом и матрицы для отливок располагаются в герметичной камере. Металлопровод, сделанный из титанового сплава, опускается из формы в расплавленный металл.

В это время в камеру подают низкое избыточное давление воздуха или инертного газа. Металл попадает в матрицу под давлением, скорость потока весьма высока и при этом регулируется.

Форма заполняется полностью и равномерно.

Метод позволяет получать высококачественные отливки, в том числе особо тонкостенные. Качество поверхности также превосходит отливки, получаемые традиционным методом.

Литейные газы удаляются через отводящий трубопровод в систему очистки, откуда попадают в атмосферу. Метод отличается высокой автоматизацией операций, улучшенными условиями труда персонала и высокой экологичностью.

К тому же при таком литье и материалы, и расход энергии существенно экономятся.

Литье под высоким давлением

Метод применяется как в черной, так и в цветной металлургии и позволяет получать наиболее точные и однородные отливки. Металл под высоким напором поступает в матрицу со скоростью до 120 м/с и мгновенно заполняет ее.

Деталям, полученным таким методом, практически не требуется финишная механическая обработка. Таким методом можно отливать детали практически любой конфигурации, с тонкими стенками, с готовыми отверстиями и даже с готовой резьбой.

Инжекционное литье

Инжекционный метод от обычного литья под давлением тем, что металл попадает в матрицу в виде порошка, смешанного со связующим веществом. Формы делают из высокопрочных сталей.

Высокая текучесть смеси позволяет заполнить мельчайшие детали рельефа форм самой сложной конфигурации, включающих внутренние полости. Достоинством этого метода является высокая точность поверхности, делающая ненужной дополнительную механическую обработку или сводящую ее к минимуму. Другим преимуществом является высочайшая физико-химическая однородность отливки.

Существуют и другие методы литья деталей, имеющие нишевое применение.

Литье в землю

Традиционный способ. Изготавливается простая или составная модель из дерева или других модельных материалов, потом по модели делается матрица из песчано-глиняной смеси. Подробнее об этом способе читайте в соответствующей статье.

Технология литья в землю

Модель извлекают из формы, части ее собирают вместе, создают литниковую систему. Форму накалывают тонкими острыми иглами, чтобы обеспечить газоотведение. Производят отливку, ждут ее остывания,

Литье в металлические формы

Разъемную форму, называемую кокилем, изготавливают из металлических деталей. Части матрицы получают путем отливки или, если требуется обеспечить высокое качество поверхности и точность размеров, путем фрезерования. Формы смазывают антипригарными составами и производят заливку.

Литье в металлические формы

После остывания кокили разбирают, извлекают отливки, очищают. Металлическая матрица выдерживает до 300 рабочих циклов.

Литье по газифицируемым моделям

Модель выполняется не из дерева или воска, а из легкоплавкого и газифицируемого материала, преимущественно полистирола. Модель остается в форме и испаряется при заливке металла.

Литье по газифицируемым моделям

Преимущества способа:

• модель не требуется извлекать из матрицы;
• можно изготовлять модели сколь угодно сложных отливок, не нужны сложные и составные формы;
• существенно снижена трудоемкость моделирования и формования.

Литье по газифицируемым моделям приобретает большую популярность на современных металлургических производствах.

Формы для литья

Самый древний вид форм — это формы из песчано-глиняной формовочной смеси, или «земли». Исторически центры металлургии возникали рядом с местами залегания уже готовых по своему составу для литья песков, например, рядом с всемирно известным Каслинским чугунным заводом. Смеси делятся на обмазочные и наполнительные.

формы из песчано-глиняной формовочной смеси

Для построения любой матрицы требуется модель — макет будущего изделия в натуральную величину, но несколько больших размеров — на величину литейной усадки.

Модель помешают по центру опалубки, или опоки, и наносят на нее слой обмазочной смеси — термостойкой и пластичной. Потом начинают послойно, тщательно трамбуя каждый слой, заполнять опоку наполнительной смесью.

После модель извлекают из формы и на ее место заливают расплав.

Для отливок сложной конфигурации, имеющих замысловатые детали и внутренние полости, применяют составные модели и формы из нескольких частей.

Металлические формы

Литье также осуществляется и в металлические формы. Их применяют при больших тиражах отливаемых деталей, в тех случаях, когда требуется высокая точность размеров и низкая шероховатость поверхности отливки, а также для некоторых металлов, активных в нагретом состоянии. Температура плавления материала формы должна быть существенно выше, чем температура отливаемого расплава.

Область применения

Различные способы литья имеют свои преимущественные сферы применения.

Так, литье в песчаные формы применяется при единичных отливках или малых сериях. Проверенный тысячелетиями способ понемногу уходит с промышленных предприятий, но продолжает использоваться на художественных промыслах и в скульптурных мастерских.

Литье в металлические формы применяется в случаях, когда требуется

• большие тиражи отливок;
• высокая точность размеров;
• высокое качество поверхности.

Также литье в металл популярно в ювелирной промышленности и в производстве металлических украшений.

Литье под давлением все шире используется предприятиями, сфокусированными на качестве своих изделий, следящими за экологией, охраной труда и эффективным расходованием материальных и энергетических ресурсов.

Литье по газифицируемым моделям применяется в тех случаях, когда планируются большие тиражи отливок, требуется высокая точность и экономия трудоемкости.

, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Современные технологии и методы литья металлов в производстве

Работать с металлом человек начал очень давно и с тех пор потребность в этом прочном и удобном в обработке материале только растет.

В современном мире металл является наиболее распространенным материалом не только в производстве, но и в быту.

Большой спрос на металлические изделия привел к тому, что методы литья постоянно совершенствуются и на сегодняшний день их существует большое количество.

Метод литья в землю

Одним из самых первых способов изготовления деталей является отливка в землю. Этот метод литья считается самым простым, однако и он требует довольно тщательной подготовки. Она заключается в создании модели будущей отливки, причем размеры должны быть немного большими, чем требуемая деталь, так как при остывании металл немного оседает.

После создания модели начинается подготовка формовочной смеси. Если деталь должна иметь полости, то также подготавливаются стержни и добавочный формовочный состав, которые впоследствии заполняют полые участки детали.

После этого опоки разъединяются таким образом, чтобы не нарушить целостность формовочной смеси. После засыхания смеси приступают к непосредственной заливке. Данный вид литья металлов подразумевает заливку расплава либо при помощи ковша, либо конвейерным способом.

После этого остывшая отливка проходит финишные операции.

Метод литья в кокиль

Более совершенным методом литья металлов является литье в кокиль. Данная разновидность в большинстве моментов напоминает предыдущую, так как в обоих случаях применяются литейные формы. Отличием является то, что формы выполнены из металла, что в значительной мере упрощает технологический процесс.

К преимуществам данного способа относится возможность применения принудительного охлаждения, а значит и увеличивается скорость изготовления отливок. Используя всего один кокиль можно выпускать сотни деталей, не тратя время на подготовку форм и смесей. К недостаткам стоит отнести то, что данный вид литья металлов подходит только для материалов с хорошей текучестью.

Метод литья под давлением

Для расплавов с низкой текучестью, например, стали применяется метод литья под давлением. Данный метод литья использует сжатый воздух, под действием которого сталь принимает необходимую форму и заполняет все пустоты. Для этого применяются специальные формы, изготовленные из высококачественной стали, а также специальное оборудование для нагнетания воздуха.

Основным преимуществом такого метода литья помимо возможности применения для всех видов металлов является высокая производительность. При этом уменьшается расход сырья, улучшается качество отливок. Чистота поверхности уменьшает количество финишных операций, что уменьшает себестоимость продукции и трудозатраты.

Литьё по газифицируемым (выжигаемым) моделям

Данный способ наиболее распространен в современной металлургии. Преимуществом этого метода литья металлов является отсутствие ограничений отливки по размерам и массе.

В качестве формовочной смеси используется кварцевый песок, который после использования может быть подвергнут регенерации для повторного применения.

Эта технология существенно увеличивает производительность производства, снижает себестоимость продукции и повышает качество изделий.

Специальные способы получения отливок

Кроме рассмотренных выше существуют и специальные виды литья металлов. Например, по выплавляемым моделям.

Суть этого способа изготовления отливок заключается в том, что в опоку устанавливается модель будущей заливки из парафина или воска, после чего промежутки заполняются формовочной смесью.

При подаче расплава модель растворяется и металл заполняет весь объем заготовки. Данная технология литья позволяет получать изделия высокого качества, а процесс легко автоматизируется.

Для относительно простых изделий используется технология литья в оболочковые формы. Формовочная смесь состоит из кварцевого песка и смолы. Металлическая модель устанавливается на разогретую поверхность, засыпается формовочной смесью и после спекания смеси получается опока, в которую после пропекания можно заливать расплав.

При изготовлении труб широко применяют центробежный метод литья металлов. Расплав помещается в специальную вращающуюся форму. Под действием центробежных сил расплав равномерно распределяется по форме. Такой способ обеспечивает изготовление деталей с равномерной толщиной стенки.

При электрошлаковом способе получения отливок жидкий металл получается путем воздействия на чушки электродуговыми разрядами. Иногда применяется бездуговой вид литья металлов. В этом случае металл плавится под действием тепла, передаваемого от разогретого шлака, на который воздействуют мощные разряды. В таком случае исключается контакт металла с воздухом.

Для дорогих металлов, таких как золото, титан и другие применяется вакуумная заливка. Металл плавится в вакууме и разливается в формы. Данная технология исключает образование полостей в готовом изделии. Однако масса отливок находится в пределах ста килограмм. Для более крупных деталей применяются вакуумные ковши, из которых в дальнейшем расплав поступает в формы.

На сегодняшний день существует много методов литья металлов. Все они применяются для различных производственных нужд, а конкретная технология зависит от требуемого качества и точности отливок. При этом прогресс не стоит на месте и не исключено, что в ближайшем будущем будут разработаны новые, более совершенные технологии и способы получения отливок металла.

Специальные способы литья

Качество отливок, полученных в ПГФ, а именно, точность геометрических размеров, степень шероховатости поверхности и др., во многих случаях не удовлетворяют требованиям современной техники.

Поэтому в современном литейном производстве все более широкое применение получают специальные способы литья: литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы, литье в кокиль, литье под давлением, центробежное литье и др.

4.1. Литье по выплавляемым моделям

Прообразом современного процесса изготовления отливок по выплавляемым моделям является известный со времен

глубокой древности метод восковой формовки. При изготовлении художественных отливок, ювелирных изделий, а также зубных протезов этот метод

литья по выплавляемым моделям применяют и в настоящее время.

Одним из образцов высокого мастерства литейщиков прошлого является отлитая по выплавляемым моделям конная статуя Петра I (« Медный всадник», Э.М. Фальконе, 1782 г.) (рис. 1.30).

Рис. 1.30.Памятник Петру Первому в Санкт-Петербурге

Литье по выплавляемым моделям — специальный способ литья, заключающийся в получении отливок заливкой расплавленного металла в разовую тонкостенную неразъемную литейную форму, которую изготавливают из огнеупорной суспензии по разовым моделям из легкоплавкого материала.

Изготовление моделей. Модельный состав, состоящий из двух или более легкоплавких компонентов (парафина, стеарина, церезина и др.

) в пастообразном состоянии запрессовывают в прессформу, внутренняя полость которой соответствует наружной конфигурации модели (рис. 1.31, а).

В качестве материала прессформ в зависимости от вида производства используют гипс, пластмассы, легкоплавкие металлы, сплавы, сталь или чугун.

Рис. 1.31.

Последовательность операций (а…з) процесса литья по выплавляемым моделям: 1 — пресс-форма; 2 — модельный состав; 3 — модель; 4 — модельный блок; 5 — емкость с керамической суспензией; 6 — специальная установка для обсыпки; 7 — кварцевый песок; 8 — бак с водой; 9 — устройство для нагрева воды; 10 — электрическая печь; 11 — оболочки; 12 — жаростойкая опока; 13 — ковш с расплавленным металлом

После затвердевания модельного состава пресс-форма раскрывается и модель (рис. 1.31, б) выталкивается в ванну с холодной водой. Аналогичным образом изготавливают модели литниковой системы.

Сборка модельных блоков. Модели собирают в модельные блоки (рис. 1.31, в) с общей литниковой системой. В один блок объединяют от 2 до 100 моделей. Соединяют модели в кондукторе, скрепляя (механически) или склеивая их.

Для сборки моделей в блоки в кондукторе выставляют металлические стояки из алюминия, наращивают на них слой модельного состава толщиной 2…5 мм и крепят к нему модели.

Этот прием ведет к повышению прочности блока, сокращению расхода состава, обеспечению удобства транспортирования, хранения и просушивания блоков при нанесении обмазки.

Подготовка керамической суспензии. Тщательно перемешивают огнеупорный материал — пылевидный кварц (маршалит), электрокорунд со связующим (гидролизным раствором этилсиликата) и получают керамическую суспензию.

Покрытие моделей огнеупорной оболочкой. Модельный блок погружают в керамическую суспензию, налитую в емкость (рис. 1.31, г), извлекают из нее и обсыпают мелкодисперсным кварцевым песком в специальной установке (рис. 1.31, д).

Затем модельные блоки сушат на воздухе (2…2,5 ч ) или в среде аммиака (20…40 мин). На модельный блок наносят слои (4…6) огнеупорного покрытия (маршалита) с последующей сушкой каждого слоя.

Удаление модели из форм (рис. 1.31, е). Удаление моделей производят их выплавлением в горячей воде (80…90 ° С). При выдержке в горячей воде в течение нескольких минут модельный состав расплавляется, всплывает на поверхность ванны, откуда периодически удаляется для повторного использования.

Подготовка литейных форм к заливке. После извлечения из ванны оболочек, их промывают водой и сушат (1,5…2 ч) в шкафах при температуре 200 °С. Затем оболочки ставят вертикально в жаростойкой опоке, вокруг засыпают сухой кварцевый песок и уплотняют его.

После этого форму помещают в электрическую печь (рис. 1.31, ж), в которой прокаливают форму (не менее 2 ч) при температуре 900…950 ° С.

В печи частички связующего спекаются с частичками огнеупорного материала, влага испаряется, и остатки модельного состава выгорают.

Заливка формы металлом. Заливка расплавленного металла из ковша производится в горячую литейную форму сразу же после прокалки (рис. 1.31, з).

Извлечение и окончательная обработка отливок. После охлаждения отливки форму разрушают. Отливки отделяют от литниковой системы и для окончательной очистки направляют на

Одним из направлений развития данного метода литья является применение легкорастворимых и газифицируемых моделей взамен выплавляемых. В качестве легкорастворимых материалов используют мочевину с добавкой полиэфирного спирта, а в качестве газифицируемых — вспененный полистирол.

К преимуществам способа литья по выплавляемым моделям относятся следующие:

1) возможность получения изделий сложной конфигурации, а также тонкостенных деталей с толщиной стенки 1 мм и менее;

2) возможность получения отливок, максимально приближенных по форме и размерам к готовым деталям, а также с малой шероховатостью поверхности;

3) возможность получения отливок практически из любых металлов и сплавов;

4) возможность объединять отдельные детали в компактные цельнолитые узлы, уменьшая массу и габаритные размеры получаемых изделий;

5) возможность механизации и автоматизации процесса изготовления форм и непосредственно самого процесса литья.

Недостатками литья по выплавляемым моделям являются следующие:

1) многооперационность, трудоемкость и длительность процесса литья;

2) использование большой номенклатуры материалов;

3) сложность управления качеством отливок из-за большого числа технологических факторов, влияющих на процесс литья.

Литье по выплавляемым моделям используют в различных отраслях машиностроения и приборостроения. В частности, при производстве автомобилей (полумуфты, патрубки, распределительные диски, поршневые кольца и т. д.

), сельскохозяйственных машин, гидромашин при литье жаропрочных труднообрабатываемых сплавов (лопатки турбин), коррозионно-стойких сталей (колеса насосов), углеродистых сталей в массовом производстве (крыльчатки, решетки, распылители, рукоятки, ключи и другие детали высокой точности) (рис. 1.32).

Рис. 1.32.

Примеры отливок, полученных литьем по выполняемым моделям: а — полумуфта ведомая двигателя автомобиля (сталь 35Л); б — полумуфта ведущая двигателя автомобиля (сталь 40Х); в — патрубок приемный двигателя автомобиля (СЧ 24); г — диск распределительный гидравлического усилителя руля автомобиля (СЧ 25); д — лопатки газовых турбин на основе никеля и кобальта; е — рабочеелкеосо шахтного насоса (ВЧ 50)

4.2. Литье в оболочковые формы

Технология изготовления оболочковых форм (метод Кронинга) была разработана Иоханнесом Кронингом (Johannes Croning) и запатентована в Гамбурге в 1944 г. Технология изготовления оболочковых форм предполагала изготовление смеси из порошка термореактивной смолы (пульвербакелита) и песка, с последующей засыпкой в подогретую модель для образования оболочки (корки).

Литье в оболочковые формы — специальный способ литья, заключающийся в изготовлении отливок путем заливки расплавленного металла в разовую тонкостенную разъемную литейную форму (оболочку), изготовленную из песчано-смоляной смеси.

Материалом для изготовления оболочек служат смоляные смеси быстрого затвердевания. В качестве наполнителя используют мелкодисперсный кварцевый песок (маршалит). В качестве связующего широко применяют термореактивную смолу (пульвербакелит) — фенолформальдегидную смолу с добавками отвердителя (уротропина). Такая смола при нагревании претерпевает ряд необратимых изменений.

Так,и пр комнатной температуре пульвербакелит представляет собой твердый порошок, который при нагревании до 70…80 °С размягчается, а при температуре 100…120 ° С плавится, превращаясь в клейкую жидкость, покрывающую поверхность частиц песка тонкой пленкой. При дальнейшем нагреве (до 200…

При дальнейшем нагревании (в..ы.4ш50е °400 С) смола начинает

выгорать, что приводит к снижению, а затем полной потере прочности форм-оболочек.

Способы изготовления оболочковых форм различаются, в основном, по приемам нанесения песчано-смоляной смеси на модельную оснастку.

Наиболее распространенным процессом формообразования оболочки является бункерный метод, заключающийся в свободной засыпке модельной оснастки смесью с помощью поворотного бункера.

Модельная оснастка для изготовления оболочковых форм включает металлические модели и подмодельные плиты, приспособления для съема оболочек с подмодельной плиты и др.

Технология изготовления оболочек и получения отливок бункерным методом (рис. 1.33) включает следующие операции.

Модельную плиту с закрепленной на ней моделью предварительно нагревают до температуры 200…250 °С и покрывают разделительным составом, например, силиконовой жидкостью (кремнийорганическое соединение). Она быстро затвердевает, образуя разделительную пленку, что устраняет последующее прилипание формовочной смеси и облегчает снятие оболочки с модели.

Модельную плиту с моделью закрепляют на опрокидывающемся бункере (рис. 1.33, а).

Рис. 1.33.Последовательность операций формовки (а…д) при литье в оболочковые формы: 1 — модельная плита; 2 — бункер; 3 — формовочная смесь; 4 — песчано-смоляная оболочка; 5 — специальные толкатели; 6 — оболочковые формы; 7 — опоки-контейнеры; 8 — металлическая дробь

Бункер с формовочной смесью поворачивают на 180° (рис. 1.33, б). Формовочная смесь, состоящая из мелкодисперсного кварцевого песка (93…96 %) и пульвербакелита (4…

20 мм (в зависимости от времени выдержки).

Бункер возвращают в исходное положение (рис. 1.33, в), излишки формовочной смеси ссыпаются на дно бункера, а модельная плита с моделью с полутвердой оболочкой снимается с бункера и нагревается в печи (1…1,5 мин) при температуре 300…350 °С. При этом пульвербакелит переходит в твердое необратимое состояние.

Твердую оболочку снимают с модели специальными толкателями (рис. 1.33, г). Аналогичным способом изготавливают вторую полуформу.

Готовые оболочковые полуформы склеивают быстротвердеющим клеем на специальных прессах или скрепляют скобами.

Заливку форм производят в вертикальном или горизонтальном положении. Собранные формы с горизонтальной плоскостью разъема укладывают для заливки на слой песка. При заливке в вертикальном положении литейные формы помешают в опокиконтейнеры и засыпают кварцевым песком или металлической дробью (рис. 1.33, д) для предохранения от преждевременного разрушения оболочки при заливке расплава.

Выбивку отливок осуществляют на специальных выбивных или вибрационных установках, разрушая оболочки. При очистке отливок удаляют заусенцы, зачищают на шлифовальных кругах места подвода питателей и затем их подвергают дробеструйной обработке.

Художественное литьё из металлов: технологии и материалы

С момента появления до сегодняшнего дня формование металлических расплавов использовалось для создания произведений искусства. Старинные украшения и скульптуры, выполненные с величайшим мастерством, были сделаны с помощью древних технологий художественного литья из металлов. Эти методы почти без изменений используются современными авторами.

С металлом человечество познакомилось очень давно, но самые ранние попытки получения отливок из него, скорее всего, берут начало в четвёртом тысячелетии до н. э. Такие предположения позволяют делать археологические находки на Ближнем Востоке. Согласно исследованиям, первые формы, заполненные жидким металлом, были простыми углублениями в открытом грунте.

Значительного прогресса в точности и качестве отливок мастерам древности удалось добиться не сразу. Приблизительно вторым-третьим тысячелетием до нашей эры датируются первые сохранившиеся артефакты, которые можно отнести к скульптурному жанру. В этот период литьё становится не только предметом ремесла, но и способом создания произведений искусства высокого уровня.

Суть технологии заключается в свойстве расплавленного металла (как и любой другой жидкости) заполнять сосуд, в который его вылили. После остывания готовая отливка становится точной геометрической копией пустот в ёмкости. Основные этапы упрощённо выглядят так:

1. Изготовление скульптором оригинальной модели из пластичных неметаллических материалов.
2. Приготовление материалов для формования, создание литейной формы по оригиналу.
3. Плавление металла, заливка его в форму, остывание.
4. Освобождение готового изделия от формы, очистка и механическая обработка.

Процесс значительно усложняется, если необходимо создавать пустотелые отливки или тиражируемые изделия.

Используемые материалы

«Семёркой древних» называют перечень из железа, меди, олова, свинца, серебра, золота и ртути — с ними человечество знакомо не одну тысячу лет. Драгоценные металлы использовались для изготовления ювелирных изделий, а основным материалом для художественного литья в прошлом были сплавы на основе меди. В новое время к ним добавились чугун и алюминий.

Художники на протяжении всей истории не ограничивали себя ассортиментом материалов для плавки. Например, в XIX веке в Европе и России были популярны изделия из цинка и свинца, а современные скульпторы нередко обращаются к нержавеющей стали. Но классическими материалами для художественного литья даже на сегодняшний день являются бронза и чугун.

Бронзовые сплавы

Сплавы меди с некоторыми цветными металлами (свинцом, оловом, алюминием, бериллием) без присутствия цинка и никеля называют бронзой. Медь с большими примесями цинка — это латунь.

Последнюю применяют в основном для изготовления кабинетной скульптуры и дорогой мебельной и интерьерной фурнитуры.

Главным материалом для художественного литья больших и малых форм оставалась несменной на протяжении веков оловянная бронза. Её преимущества:

• ничтожная усадка;
• высокая текучесть;
• не подверженность пористости при остывании;
• высокая теплопроводность;
• прочность;
• коррозионная стойкость;
• упругость;
• свариваемость.

Литьё из бронзы — одно из старейших искусств. Применение её в разных частях древнего мира было повсеместным: люди готовили в бронзовой посуде, носили бронзовые украшения, пользовались бронзовыми инструментами, застёгивали одежду на бронзовые пуговицы.

Эта эпоха известна по удивительно высокому качеству исполнения и небывалой художественной силы скульптурам, сохранившимся до наших дней. С тех времён берёт начало литейная бронзовая традиция, надолго пережившая свой век с одноимённым названием.

Безусловно, сплавы совершенствовались на всём протяжении истории, но большая часть технологических процессов художественного литья оставались неизменными.

Серый чугун

Бронза и железо, пожалуй, самые важные материалы в истории человечества. Недаром они дали названия двум эпохам технологической эволюции — бронзовому и железному векам.

Поскольку для железного литья требовались более высокие температуры и сложные печи, плавку железа человечество освоило несколько позже бронзы. По некоторым сведениям, чугун лили в Китае ещё 2 тыс. лет назад.

Первыми массовыми изделиями из него в Европе и России были стволы пушек и ядра к ним в XV веке.

с производства плитки для печей, памятников и фонтанов.

Мощным толчком для популяризации чугуна в искусстве было бурное развитие металлургических технологий во второй половине девятнадцатого века и последующая за этими событиями индустриализация.

Для приготовления скульптуры используют серый чугун с высоким содержанием фосфора как самый недорогой и приспособленный для литья сплав железа с углеродом.

Фосфор улучшает текучесть — это помогает металлу полностью заполнять форму. Свойство фосфора повышать хрупкость железа для художественного литья значения не имеет, как и присущая серому чугуну пористость.

Материал обладает ещё одним важным свойством — привлекательностью внешнего вида готового изделия.

Традиционные технологии нисколько не утратили актуальности и в наше время. В качестве основных мастера применяют литьё либо в земляные формы, либо по выплавляемым моделям. На XIX век пришёлся накал соперничества этих двух методов. Первый стал массовым в основном у промышленников, уступив лидерство в искусстве более точному и дорогому литью по восковым моделям.

Литьё в землю

Этот метод объединяет литьё в землю, песок или глину. Основная разница между ними заключается в материале формы. Суть технологии состоит в получении отпечатка от шаблона на смеси с дальнейшим изменением её качества (трамбовкой, добавлением связующего вещества) и последующим формированием в ней литниковой системы — каналов, по которым будет поступать и удаляться расплавленный металл.

Для создания сложных объёмных фигур нередко используют разборные шаблоны, а формовку производят в специальных составных ящиках — опоках. На результат большое влияние оказывает состав и качество формовочной смеси. После отливки заусенцы и линии каналов удаляются механически.

Достоинства технологии:

• простота;
• низкая себестоимость;
• возможность создавать отливки больших размеров и массы.

По выплавляемым моделям

Этот метод был популярен ещё в Древнем Египте и Китае, использовался в Греции и Риме, не претерпел больших изменений за тысячелетия. Основные эволюции произошли во вспомогательных материалах: воск мастера сменили на синтетические смеси, активно стали применять эластичные резиновые формы и т. п. Классический метод литья по выплавленному воску выглядит так:

1. Создание восковой модели скульптором — точной копии будущей отливки.
2. Изготовление формы — на поверхность воска наносится в несколько этапов пастообразная гипсово-глиняная смесь.
3. Запекание формы в печи. Во время нагрева воск покидает форму, вытекая через заранее предусмотренные каналы.
4. Заливка расплавленного металла в покинутые воском пустоты.
5. Освобождение готовой скульптуры от глиняной формы.
6. Удаление лишнего металла с отливки, шлифование, полировка, художественная химическая обработка.

В подобном виде этот древний метод сейчас очень популярен у художников. Процесс литья усложняется при необходимости создавать тиражируемые изделия. Тогда в регламент работ добавляются процедуры изготовления «негативных моделей», назначение которых — служить многоразовой формой для восковых отливок.

Сам по себе способ формирования по выплавляемым моделям позволяет создавать чрезвычайно качественные и тонкие изделия из всех видов металлов. Технологические трудности могут возникнуть лишь при изготовлении больших элементов: такие задачи по плечу только мастерам высокой квалификации.