Литье в песок — процесс, свойства песка, плюсы и минусы

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

В этой статье мы рассмотрим современный процесс литья в песок, изучим, как он работает и почему остается одним из наиболее широко используемых методов литья металлов даже спустя тысячи лет после его создания.

Что такое литье в песчаные формы?

Литье в песчаные формы, или литье в песчаные формы, — это процесс изготовления металла, который использует формы, изготовленные из песка для создания металлических изделий. Песок легко поддается формовке с помощью обычных предметов. После придания ему нужной формы в форму заливается горячий расплавленный металл. По мере остывания металл принимает форму формы, застывая. Готовое металлическое изделие извлекается из песчаной формы и подвергается отделке перед использованием.

С помощью техники литья в песчаные формы можно изготавливать изделия любых размеров и уровней сложности. С ее помощью можно отливать предметы как маленькие булавки, так и большие железнодорожные локомотивы. Кроме того, она совместима с широким спектром металлов, включая чугун, ковкий чугун, сталь, никелевые сплавы, медные сплавы, алюминиевые сплавы и магниевые сплавы.

Благодаря своей универсальности литье в песчаные формы является самым распространенным процессом литья в мире: более 60 % всех литых металлических изделий изготавливаются с помощью этого метода.

Свойства формовочной смеси

Хотя существует множество различных типов песка, не все они подходят для процесса литья. Каждый из них обладает определенными свойствами, которые могут соответствовать или не соответствовать требованиям проекта.

В зависимости от процесса литья и металла необходимо правильное сочетание свойств формовочной смеси. Для повышения когезии, могут быть добавлены специальные добавки и связующие вещества в основную смесь песка, глины и воды.

К таким связующим, которые могут быть органическими или неорганическими, относятся зерно, молотая смола, морской уголь, гильсонит, мазут, древесная мука, кремнеземная мука, оксид железа, перлит и другие. Некоторые из этих связующих веществ обладают противоречивыми эффектами, но часто приходится искать компромиссы , чтобы сбалансировать свойства для конкретного применения литья.

[четыре наиболее распространенных типа песка , используемых для литья: зеленый песок, сухой песок, силикат натрия и смоляной песок:

1. Зеленый песок Он называется так потому, что по сути представляет собой сырой песок, смешанный с водой. По консистенции он напоминает глину. Зеленый песок является недорогим вариантом литьевой смеси с хорошей возможностью повторного использования и совместим с высокими темпами производства. Однако его низкая пластичность может привести к разрушению формы в определенных ситуациях. Он также склонен к образованию дефектов на поверхности.
2. Сухой песокС другой стороны, это формовочный песок, в котором используется глина и содержится очень мало воды в качестве связующего вещества. Он хорошо держит форму после утрамбовки. Преимущество сухого песка в том, что он создает очень мало пара на этапе заполнения, что в случае с более влажными песками может привести к разрушению формы, если не принять меры.
3. Силикат натрия, также известный как водное стекло, — это специальный песок, в котором для объединения песка используется связующее вещество — силикат натрия. Силикат натрия позволяет создавать более замысловатые и сложные формы, чем зеленый и сухой песок.
4. Смоляной песок, он же Фурановый песокЕще один популярный вид песка, используемый для литья в песчаные формы. Для получения связной массы из песка используется смола на основе фурфурилового спирта. Прочный и высокостабильный состав имеет очень низкую склонность к разрушению и обеспечивает превосходную точность размеров и качество поверхности. Однако это самый дорогой из всех видов песка. Кроме того, он имеет более длительный срок изготовления.

Инженеры по литью выбирают тип песка в зависимости от металла, геометрии изделия и предельных допусков. Но независимо от спецификаций, они всегда проверяют тип песка на следующие свойства:

Тугоплавкость

Тугоплавкость — это свойство материала, позволяющее ему выдерживать тепловые удары и горение при воздействии высоких температур. Песок служит огнеупорным материалом для расплавленного металла и поэтому должен иметь высокую температуру плавления. Выбор песка для литья во многом зависит от температуры процесса. Если огнеупорность недостаточна, песок расплавится и сплавится с отливкой.

Для многих металлов, таких как алюминий, песок должен выдерживать температуру всего 700 градусов Цельсия. Однако песок для стальных отливок должен выдерживать температуру не менее 1500 градусов Цельсия, так как температура плавления выше.

Проницаемость

Песок должен отводить пар и другие газы, образующиеся в процессе литья. Каждая единица воды в форме производит 1600 единиц пара.

Если газы и пар задерживаются, это может привести к появлению таких дефектов, как дырки и газовые отверстия в готовом изделии. Их удаление имеет решающее значение для получения качественной отделки. Таким образом, проницаемость является важнейшим свойством песка для получения высококачественного готового продукта.

Свойства формовочной смеси зависят от размера и распределения зерен: мелкие зерна повышают прочность формы, но снижают проницаемость, в то время как крупные зерна повышают проницаемость. Мелкие зерна обеспечивают гладкую поверхность отливок, но имеют низкую проницаемость, в то время как крупные зерна обеспечивают более высокую проницаемость, но более грубую поверхность.

Высокая теплопроводность

Теплопроводность — это свойство материала пропускать через себя тепло. Эффективный тепловой поток приводит к быстрому охлаждению расплавленного металла. Пески с высокой теплопроводностью необходимы для передачи тепла от расплавленного металла в атмосферу.

Низкое тепловое расширение

Тепловое расширение — это увеличение или уменьшение объема материала при добавлении или отводе тепла, соответственно. Для процесса литья в песчаные формы необходим песок с очень низким тепловым расширением. Такой песок будет сохранять свою форму на различных этапах процесса литья, включая заливку жидкого металла и последующее охлаждение.

Текучесть

Способность песка проникать в небольшие области, такие как полости, впадины и глубокие каналы рисунка, определяет, можно ли использовать его для отливки сложных форм. Песок с более высокой текучестью заполнит все элементы детали, не требуя внешнего давления.

Песок с высокой текучестью не нужен для простых форм, таких как крышка люка, но он может потребоваться для чего-то более сложного, например, скульптуры. Поэтому необходимый уровень текучести может определяться в каждом конкретном случае.

Стоимость

Стоимость также может значительно отличаться от песка к песку. Например, кварцевый песок отличается высокой доступностью, но при этом имеет такие проблемы, как нестабильность размеров и склонность к горению или даже взрыву с образованием частиц субмикронного размера при тепловом ударе. Силикоз также является крайне актуальной проблемой, поскольку работники подвергаются воздействию кремнезема в течение длительного времени. Оливин и хромитовый песок, с другой стороны, более дороги и менее доступны, но не имеют вышеупомянутых проблем.

Процесс литья прост для простых изделий. Создается полость нужной формы, и расплавленный металл заливается в нее через вертикальный канал. После застывания металла его извлекают, удаляя песок из формы.

Однако при создании сложных форм необходимо тщательно продумать такие аспекты, как заполнение формы, удаление излишков металла, получение высококачественной поверхности и обеспечение оптимальной температуры и скорости движения расплавленного металла для равномерного заполнения.

Давайте рассмотрим типичный процесс литья в песчаную форму более подробно:

1. Создание формы

Пресс-форма создается по образцу, который является копией желаемого изделия. Шаблон может быть изготовлен из другого материала или с помощью другого процесса, например механической обработки или аддитивного производства, но он имеет ту же форму и размеры, что и конечное изделие. По одному шаблону можно создать несколько форм.

Шаблон разделяется на две части по центральной линии формы. Затем каждая половина помещается в отдельные песочницы, и песчаная смесь насыпается вокруг них, чтобы создать оттиски узоров в песке.

После того как узоры удалены из песка, две песочницы ставят друг на друга, закрепляя их, чтобы получилась полноценная форма. Верхняя половина и нижняя половина называются соответственно коуп и драг. Образованная таким образом полость формы имеет отрицательную форму изделия. Например, выступ на готовом изделии выглядит как впадина в форме.

2. Создание литниковой системы

Литниковая система обеспечивает проход расплавленного металла в полость. Хорошо продуманная система может иметь решающее значение для качества изделия. Эффективная литниковая система проста, эффективна и минимизирует турбулентность. Она также задерживает любые газы и шлаки, присутствующие в расплавленном металле.

Ключевые компоненты литниковой системы, требующие тщательной проработки, включают:

• Заливочная ванна и шприц — Заливочная ванна служит воронкообразной точкой входа расплавленного металла. Металл поступает в литник из заливочной ванны и под действием силы тяжести движется к полости.
• Бегунки — Бегунки — это горизонтальные каналы, по которым расплавленный металл поступает в полость штампа из литника.
• Ворота — Затворы — это входные отверстия в полость штампа, обеспечивающие плавное поступление расплавленного металла в полость штампа, поддерживающие давление и предотвращающие вспышки. Они также помогают ограничить попадание шлака в полость штампа.
• Рейсеры — Чтобы противостоять усадке металла при его охлаждении, стояки служат резервуарами в литниковой системе, хранящими дополнительный расплавленный металл. Когда металл начинает усаживаться, стояки подают дополнительный материал в полость, предотвращая нехватку металла.
• Сердечники — Если для изделия требуется полая секция или полость, в форму помещают твердую песчаную вставку, называемую сердечником, для формирования предполагаемой полости. Расплавленный металл заливается вокруг сердечника, образуя полость в готовой отливке. Чашечки удерживают сердечник на месте во время литья.

3. Заливка расплавленного металла

Расплавленный металл заливается сверху в полость. Объем используемого металла немного превышает объем изделия, чтобы обеспечить хранение некоторого количества избыточного материала в стояках.

4. Затвердевание в отливке

После заполнения полости формы отливке дают остыть. В зависимости от металла и процесса может применяться естественное или принудительное охлаждение. Правильное охлаждение необходимо для достижения желаемых свойств и сохранения точности размеров конечного продукта.

5. Встряхивание и извлечение песка

Вытряхивание — это процесс извлечения отливок из формы. Песок встряхивается и смещается, чтобы отделить затвердевшую отливку, которая затем отправляется на окончательную отделку, в то время как начинается восстановление песка.

Поскольку не весь песок может быть восстановлен, часть старого песка заменяется свежим песком для будущих процессов литья в песчаные формы. Чтобы восстановить свойства песка для повторного использования, могут применяться механическая, химическая и термическая обработка, а также корректировка его состава путем компенсации потерянной влаги и добавок.

Преимущества литья в песок

Несмотря на развитие множества передовых технологий в последние десятилетия, литье в песчаные формы остается одним из самых популярных процессов изготовления металлов. Его уникальные преимущества делают его незаменимым в современном производстве. Сегодня, литье в песчаные формы часто автоматизировано, что повышает его адаптивность и эффективность для удовлетворения требований современных производственных условий. Вот некоторые ключевые преимущества, которые делают литье в песчаные формы таким ценным процессом.

Подходит для всех типов производства

Литье в песчаные формы совместимо с различными производственными установками, позволяя изготавливать единичные, серийные или массовые изделия. Этот метод широко используется в таких отраслях, как автомобилестроение, оборонная промышленность, сельское хозяйство, горнодобывающая промышленность, строительство, здравоохранение и возобновляемые источники энергии.

В автомобильной промышленности литье в песок используется для разработки прототипов, блоков цилиндров, головок цилиндров и различных деталей двигателей IC. Его применение также распространилось на производство электромобилей, где литье в песок используется для производства структурных компонентов, корпусов двигателей, батарей и т.д.

Существует почти нет ограничений на размер , а также. Изделия массой от нескольких граммов до нескольких тонн могут быть отлиты с математической точностью.

Экономичность

Одним из основных факторов, побуждающих различные отрасли внедрять технологию литья в песчаные формы, является стоимость. Литье в песчаные формы является значительно более экономичным по сравнению с другими процессами литья. Песок можно повторно использовать для будущих отливок с минимальной обработкой.

[автоматизация в крупносерийном производстве также снижает стоимость одной детали, обеспечивая при этом стабильное и надежное качество. Литье в песчаные формы также требует низкие затраты на оснастку по сравнению с другими методами литья.

Подходит для всех металлов

Литье в песок может работать практически с любым сплавом черных и цветных металлов. В качестве примера можно привести золото, железо, свинец и титан. Единственным требованием является то, что он должен плавиться и поступать в форму в виде жидкого металла. Такая гибкость позволяет литейным заводам работать с широким спектром металлов, не требуя значительных изменений в технологическом процессе или оборудовании.

Быстрый процесс

Хотя такие процессы, как центробежное литье, могут быть более эффективными при изготовлении специфических форм, литье в песчаные формы обеспечивает быстрое изготовление как прототипов, так и крупномасштабных изделий.

Ограничения литья в песчаные формы

Все производственные процессы связаны с компромиссами. Однако в случае с литьем в песчаные формы эти компромиссы минимальны по сравнению с преимуществами. Давайте рассмотрим некоторые из этих ограничений:

Плохая обработка поверхности

Низкое качество песка и отклонения в технологическом процессе иногда могут привести к плохой отделке поверхности отливок из песка. Любая поломка в песчаной форме может привести к шероховатой поверхности. Для изделий, требующих высококачественной отделки поверхности без длительной последующей обработки, часто предпочитают литье под давлением и литье по выплавляемым моделям, но литье в песчаную форму также может дать изысканную отделку при правильном выборе песка и процессов.

Использование высококачественного, более мелкого песка обеспечивает гораздо лучшую отделку поверхности, но увеличивает стоимость процесса. Правильная трамбовка или упаковка частиц песка также помогает улучшить качество поверхности. Для устранения дефектов поверхности, таких как слишком грубая отделка, отливки из песка обычно подвергаются таким операциям механической обработки, как точение, шлифование и дробеструйная обработка.

Слабый контроль скорости охлаждения

Если во многих процессах изготовления металлов скорость охлаждения можно контролировать более эффективно, то этого нельзя сказать о литье в песчаные формы. Песок, являясь изолятором, усугубляет проблемы, связанные с этапом охлаждения. При литье в песчаные формы стадия охлаждения значительно удлиняется, что сказывается на сроках изготовления и темпах производства.

В связи с изменением скорости охлаждения могут возникать некоторые изменения в анизотропии микроструктуры. Анизотропия относится к изменениям механических свойств, возникающим в результате изменения ориентации зерен материала.

Формирование внутренних полостей может быть затруднено

Метод литья в песчаную форму требует размещения стержней в полости формы для формирования внутренних полостей. Например, при изготовлении блока двигателя в процессе литья необходимо создать пустые полости для цилиндров двигателя.

Создание внутренних камер, отверстий или пространств в полости формы является сложной задачей, поскольку они должны быть правильно расположены и иметь достаточную поддержку, чтобы выдержать процесс литья. Чем сложнее эти полости, тем больше трудностей приходится преодолевать.

Если процесс не автоматизирован, требуется квалифицированная рабочая сила

Автоматизированные процессы могут быть дорогостоящими. Однако без автоматизации процесс зависит от квалифицированных специалистов по литью в песчаные формы, которые разрабатывают шаблоны, формы и контролируют процесс, чтобы обеспечить высокое качество продукции. Без квалифицированного труда результат может оказаться значительно ниже приемлемых стандартов, что приведет к репутационным и материальным потерям.

Утилизация песка может быть сложной задачей

Литейные заводы перерабатывают формовочную смесь по мере возможности, но после определенного количества циклов она больше не пригодна для повторного использования. Однако отходы литейного производства представляют собой вредное загрязнение, которое может привести к экологическим проблемам.

Строительство — одна из отраслей, где отработанный литейный песок в настоящее время направляется на утилизацию. Он используется в качестве заменителя мелкого заполнителя (песка) в бетоне. Такая практика не только решает проблему утилизации песка, но и снижает затраты и выбросы углекислого газа, связанные с производством бетона.

Но кроме этого, большая часть отходов литейного песка попадает на свалку, что, конечно, не является идеальным вариантом. Возможности переработки литейного песка ограничены.

Заключение

Несмотря на то что традиционное литье в песчаные формы является древним процессом, оно претерпело значительные усовершенствования, что делает его весьма актуальным и полезным в современном производстве. Его популярность частично объясняется его универсальностью для различных типов металлов и размеров изделий, а частично — экономичностью по сравнению с другими процессами литья.

Постоянно развивающиеся инновации в области материаловедения и автоматизации процессов еще больше расширяют значение литья в песчаные формы в различных отраслях промышленности — от автомобилестроения до строительства. По мере развития промышленности литье в песчаные формы будет продолжать формировать промышленный ландшафт, сочетая традиции и инновации в технологиях металлообработки.

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.