Литье металлов — определение, процесс и типы

Литье металла — это производственный процесс , который включает в себя плавление металлов и заливка их в формы для придания определенных форм. В основном оно используется в обрабатывающей промышленности для производства различных деталей, а также в изобразительном искусстве, например, в скульптуре и ювелирном деле. В 2020 году рынок литья металлов из чугуна и стали оценивался в 145,97 млрд долларов США. По оценкам, темпы роста рынка составят CAGR 5,4% с 2021 по 2027 гг..

Процесс литья металлов насчитывает более 7000 лет. На протяжении веков процесс литья постоянно совершенствовался и улучшался. Сегодня он позволяет повторяющееся производство очень сложных форм, некоторые из которых было бы невозможно получить любым другим способом.

В настоящее время он используется настолько широко, что невозможно обойтись без литых изделий, независимо от того, в какой среде вы находитесь. Среди примеров литых металлических изделий — блоки двигателей, пожарные гидранты, моторы, инструменты, светофоры, люки, трубопроводы, клапаны и различные фитинги.

В этой статье мы рассмотрим процесс литья металлов, чтобы понять, что это такое, изучить его виды и принцип работы.

Что такое литье?

Процесс литья позволяет изготавливать металлические детали нужной формы путем нагрева металлов выше температуры плавления и заливки жидкого металла в формы. Расплавленный металл поступает в пустые полости, повторяя форму формы. Когда металл остывает и затвердевает, его извлекают из формы и отправляют на постобработку. В процессе последующей обработки улучшается качество и внешний вид поверхности, а также наносятся необходимые защитные покрытия.

Литье металла ограничивается только воображением производителя. Оно может образовывать весьма сложные формы.

Литье предпочтительнее для сложных геометрических форм, поскольку оно более экономично, а сам процесс прост по сравнению, например, с механической обработкой с ЧПУ. Но оно также широко используется для изготовления самых простых форм благодаря быстрому времени выполнения заказа и большой производственной мощности.

Современные методы литья позволяют получать практически чистые формы, что значительно снижает необходимость снятия заусенцев и других операций последующей обработки.

Процесс литья металлов

Причина, по которой процесс литья металла стал таким популярным, заключается в присущей ему простоте. Для получения готовых изделий не требовалось ни современного оборудования, ни сложных процессов.

Поэтому даже древние армии могли использовать его для производства оружия и инструментов. Но с течением времени в процессе литья добавились некоторые этапы, чтобы конечная продукция была максимально качественной. Давайте рассмотрим типичный процесс литья металлов, используемый в современной промышленности.

Шаг 1: Создание формы

Создание формы — это, пожалуй, самый ответственный этап в процессе литья металла. Качество формы напрямую влияет на качество готового изделия. Метод создания формы зависит от типа металла, геометрии детали, производственной мощности и желаемой отделки. Как только эти характеристики определены, можно определить подходящие материалы и метод.

Пресс-форма создается как негативный оттиск желаемой детали. Она изготавливается из материала, который может не только выдерживать высокие температуры расплавленного материала, но и легко отделяться от цельной металлической детали после охлаждения. Некоторые материалы, используемые для изготовления форм, включают песок, гипс, огнеупорный шлам и керамическую жидкость. Некоторые формы можно использовать только один раз, в то время как другие можно использовать многократно.

Шаг 2: Плавление и заливка металла

Металл для отливки нагревается выше температуры плавления, чтобы получилась свободно текущая жидкость. Жидкость должна быть максимально очищена от загрязнений и окалины. Для предотвращения попадания окалины в отливку в форму могут быть добавлены приспособления. Расплавленный металл заливается в заливочную ванну в верхней части формы. Затем жидкий металл поступает в литник (вертикальный канал) и распределяется в полости формы через бегунки (горизонтальные каналы) и литники (входы в полости).

Менее вязкие металлы легко вливаются в отливку и образуют более тонкие узоры. Металлы с высокой вязкостью обладают нетурбулентным течением, что помогает устранить такие дефекты, как пористость. Скорость затвердевания и движущая сила также зависят от вязкости расплавленного металла.

Шаг 3: Извлечение металлической отливки из формы

В случае одноразовой формы форма разбивается, чтобы извлечь металлическую отливку.

При литье в постоянную форму на форме имеются различные отверстия для доступа и извлечения отливки. Затем форма может быть повторно использована для изготовления следующих партий изделий.

Шаг 4: Отделка и последующая обработка

Отливка, извлеченная из формы, не может быть использована в своем нынешнем состоянии. Когда расплавленный металл заливается в форму, жидкий металл в литнике, бегунках, стояках и вентиляционных отверстиях также застывает. Все эти придатки отрезаются. Также может потребоваться отделка поверхности.

Затем деталь отправляется на очистку и нанесение покрытия, если этого требует сфера применения.

Виды процессов литья

Отливки могут быть созданы из различных металлов, таких как алюминий, цинк, сталь и железо. Каждый металл обладает уникальными характеристиками, что требует внесения изменений в технологию литья для достижения наилучшего результата.

Технология литья также зависит от таких параметров, как состав сплава, геометрия детали, стоимость, желаемое конечное качество, размер партии и критерии производительности.

Процессы литья делятся на два вида: первый — это по сроку службы формы (литье в расходные и нерасходуемые формы), а вторая — это метод впрыска сплава (гравитационное, литье под давлением или в вакууме). В этой статье мы разделим процессы литья на литье в расходуемые и нерасходуемые формы.

Процесс литья в расходуемые формы

В процессах литья в расходуемые формы используются формы, которые могут быть использованы только один раз. Эти формы используются в различных процессах литья, таких как литье в песчаные формы, литье в оболочковые формы, литье по выплавляемым моделям и др. Однако следует отметить, что эти формы не всегда выбрасываются после использования. Производители могут попытаться спасти формы, если возможно их реформирование.

Рассмотрим подробнее некоторые процессы, использующие многоразовые формы для литья:

Литье в песчаные формы

При литье в песчаные формы в качестве материала для формы используется песок. Песок дешев, легко доступен, податлив и выдерживает высокую температуру лучше, чем большинство материалов. Зеленый (влажный) и сухой песок являются наиболее подходящими материалами для процесса литья.

В песчаной форме создается негативная форма желаемой детали, затем в нее заливается расплавленный металл. После застывания металла песок удаляется, чтобы извлечь отливку.

Литье в песок — один из старейших методов литья. Он остается очень популярным и по сей день благодаря тому, что простоте, универсальности и доступности..

Литье в песок позволяет получать изделия размером от нескольких сантиметров до десятков метров. Вес изделий может составлять от 75 г до нескольких тонн.

Однако литье в песчаные формы не обеспечивает наилучшего качества поверхности, поэтому оно больше подходит для крупных изделий, которые впоследствии могут быть доработаны для получения более гладкой поверхности.

Литье в гипсовую форму — это разновидность метода литья в песчаную форму, при котором для изготовления формы вместо песка используется гипс.

Формовка ракушек

Литье в оболочковые формы — это разновидность процесса литья в песчаные формы. Однако вместо сыпучего песка заливка металла происходит внутри тонкостенной твердой песчаной оболочки.

Чтобы создать такую оболочку, сначала необходимо создать деталь. Шаблон — это объект, имеющий форму желаемой детали. Шаблон нагревается и помещается в песок, смешанный со связующим веществом — термореактивной смолой. Песок вокруг шаблона принимает форму детали, а смола затвердевает. Далее оболочка отверждается в печи. Когда оболочка готова, ее помещают в печь и заливают в нее расплавленный металл. После застывания отливку извлекают.

Литье в оболочку имеет такие преимущества, как снижение трудозатрат (при автоматизации), увеличение производственной мощности и повышение точности размеров.

Однако формование в оболочке немного дороже, чем литье в песчаные формы из-за используемой смолы. Кроме того, она может иметь более низкую прочность материала и высокую пористость. Трудозатраты также могут оказаться довольно высокими, если процесс не автоматизирован.

Инвестиционное литье

Литье по выплавляемым моделям, также известное как литье по выплавляемым моделям или точное литье, использует воск для создания точных отливок.

Процесс начинается с получения восковой модели с помощью металлических штампов. Несколько восковых шаблонов собираются вместе с литниками, бегунками и литейной массой. Это позволяет отливать несколько деталей одновременно.

Сборка восковых шаблонов окунается или «вкладывается» в огнеупорный шлам, который принимает форму сборки.

Затем восковой узор вместе с оболочкой из суспензии нагревается. Воск вытекает из оболочки и может быть использован повторно.

Оболочка из шлама образует форму для процесса литья. Расплавленный металл заливается в форму, где он застывает, превращаясь в требуемую деталь.

Литье по выплавляемым моделям отличается высокой точностью. Оно используется для изготовления сложных деталей, требующих точности, таких как роторы турбокомпрессоров. Она также обеспечивает очень хорошее качество обработки поверхности.

С другой стороны, этот процесс более дорогой, чем литье в песчаные формы и литье в оболочковые формы. Он имеет ограничения по некоторым характеристикам, таким как размер и глубина отверстий. Литье по выплавляемым моделям может быть сложным в исполнении, если речь идет о стержнях.

Процесс литья в нерасходуемые формы

В этих технологиях литья используются постоянные формы, которые можно использовать многократно. Нет необходимости готовить новую форму для каждой отливки, как в случае с литьем в расходуемые формы. Это может быть выгодно для отливок, требующих тонкой обработки поверхности, высокой точности размеров и сложных форм.

Следующие процессы литья могут быть классифицированы как нерасходуемые:

Литье под давлением

В процессе литья под давлением используется металлическая матрица для отливки других металлов. Обычно матрица изготавливается из сплавов цветных металлов — алюминия, меди и цинка, но также используются матрицы из черных металлов.

[металлические штампы дороги в изготовлении , но они служат очень долго. Это делает литье под давлением более подходит для крупносерийного производства.

Литье под давлением, по сравнению с другими технологиями литья металлов, больше подходит для деталей малого и среднего размера, требующих высококачественной обработки поверхности.

Процессы литья под давлением бывают двух основных типов: гравитационное литье под давлением и литье под давлением. При гравитационном литье под давлением для заполнения формы расплавленным металлом используется сила тяжести. Каналы и полости формы спроектированы таким образом, чтобы металл естественным образом стекал в карманы.

При литье под давлением расплавленный металл впрыскивается под высоким давлением для заполнения формы. Этот процесс обеспечивает большую гибкость при проектировании формы, но является более дорогостоящим и требует специальных навыков.

Литье под давлением больше подходит для сложных геометрических форм, в то время как гравитационное литье предлагает больше преимуществ для более простых конструкций.

Центробежное литье

Центробежное литье использует центробежную силу для отливки круглых деталей. Этот процесс обычно используется для создания отливок стандартного размера, например, труб, а не готовых изделий.

Поскольку процесс использует силу тяжести и давление, он позволяет создавать очень тонкие конструкции с поразительной точностью.

Расплавленный металл подается через центр, а вращающееся движение формы выталкивает металл к краю, образуя кольцевую форму. Последовательное добавление различных материалов позволяет получать трубы с несколькими слоями. Например, центробежное литье позволяет создавать чугунные трубы с цементной футеровкой внутри для предотвращения коррозии и последующего образования труб.

Центробежная сила также может выталкивать вязкий расплавленный металл в очень мелкие полости. Металл может быть сформован в замысловатые формы и образовывать сложные конструкции. Таким образом, эта концепция широко используется и для создания ювелирных изделий.

Литейные машины могут быть горизонтальными или вертикальными. Горизонтальные машины подходят для длинных изделий, таких как трубы, в то время как машины с вертикальной осью больше подходят для коротких изделий, таких как подшипники.

Центробежное литье имеет такие преимущества, как отсутствие необходимости в стержнях, превосходная зернистая структура и отсутствие ограничений по размерам, таким как длина, толщина стенок и диаметр.

Центробежное литье — лучшая альтернатива для специфических применений, таких как тонкостенные цилиндры. Однако оно имеет такие недостатки, как ограничения по форме, невозможность работы с меньшими диаметрами и совместимость с ограниченными сплавами. При центробежном литье примеси скапливаются в центре, и их бывает трудно удалить.

Непрерывное литье

Непрерывное литье, также известное как литье прядей или литье слябов, производит непрерывное литье постоянного сечения.

Расплавленный металл из печи осторожно выливается в промковш, из которого металл переносится в охлаждаемую водой форму нужного сечения. Охлаждение ускоряет застывание расплавленного металла.

Пока металл застывает, он также вытягивается из формы через ролики, где отливка может быть охлаждена и отформована до окончательных размеров. После завершения затвердевания отливку разрезают на части стандартных размеров.

Непрерывное литье обеспечивает высокую скорость производства, повышенную точность, сокращение отходов и улучшенную структуру зерна.

Однако этот процесс требует больших первоначальных инвестиций, а конечный продукт может иметь внутренние дефекты и низкое качество поверхности.

Резюме

Литье металла — это эффективный и экономичный метод производства надежных металлических изделий. Он предлагает широкий спектр процессов. Каждый процесс имеет свои плюсы и минусы, которые делают его подходящим для конкретных применений.

Например, литье в песчаные формы идеально подходит для изготовления одноразовых сложных изделий, а литье под давлением — для сложных изделий, требующих высокой скорости производства.

Формы, используемые в литье, делятся на расходные и нерасходные. Расходуемые формы разрушаются после каждого использования, как, например, при литье в песчаные формы, в то время как нерасходуемые формы более долговечны и могут служить от нескольких дней до нескольких лет.

Универсальность литья металлов делает его незаменимым методом металлообработки в различных отраслях промышленности, от автомобильной до аэрокосмической, обеспечивая высокую точность и повторяемость производства сложных деталей.