Методы литья металлов

История литья металлов насчитывает тысячелетия и связана с развитием цивилизации и технологий. Краткий обзор этого процесса не может полностью раскрыть всей сложности технологии, но отметит ее основные вехи:

• Древние технологии литья. Известно, что древние цивилизации, ассирийцы, египтяне, китайцы и древние индусы, использовали методы литья для создания различных предметов из бронзы и железа. Использовались примитивные формы литья, например, восковые модели.
• Средневековье и ренессанс. В этот период литье металлов стало более распространенным, особенно для производства художественных и культурных изделий, колоколов, статуй и архитектурных орнаментов.
• Промышленная революция. В 18-19 веках литье металлов стало основой промышленного производства. В это время были разработаны новые методы — литье под давлением и использование форм.
• XX век и современность. В XX веке с развитием технологий и материалов литье металлов стало еще более эффективным и разнообразным. В настоящее время используются различные методы литья, включая литье под давлением, литье в песчаные формы, восковое литье, газифицированные модели и другие.

Технологии литья металлов продолжают развиваться, с улучшением процессов, материалов и оборудования, что позволяет создавать более сложные и качественные изделия из металлов.

Металлы, пригодные для литья

Для литьевого производства пригодны не все металлы и сплавы. Даже среди марок стали и чугуна особо выделяют литьевые и нелитьевые марки. Это зависит как от химической структуры металла, так и от особенностей кристаллической решетки после застывания расплава. Вот несколько металлов и сплавов, которые часто используются для литья:

• Чугун (Cast Iron). Чугун является одним из наиболее распространенных металлов для литья благодаря его высокой текучести и низкой стоимости.
• Сталь (Steel). Хотя сталь сложнее лить, чем чугун, она также может быть использована для литья, особенно для более тонких и прочных деталей.
• Алюминий (Aluminum). Алюминий - легкий и прочный металл, идеальный для литья. Он имеет отличные свойства теплопроводности и устойчив к коррозии.
• Медь (Copper). Медь популярна для литья из-за своей высокой теплопроводности и электропроводности, а также хорошей коррозионной стойкости.
• Цинк (Zinc). Цинк используется для литья из-за низкой температуры плавления и хороших антикоррозионных свойств.
• Сплавы алюминия (Aluminum Alloys). Сплавы алюминия, такие как алюминиевый кремний (Aluminum-Silicon Alloys, силумин) и алюминиевый магний (Aluminum-Magnesium Alloys, Al-Mg), широко используются в автомобильной и авиационной промышленности.
• Сплавы цинка (Zinc Alloys). Сплавы цинка, такие как цинковый сплав Zamac (Zinc-Aluminum-Magnesium-Copper), также популярны в литье из-за своей прочности и простоты обработки.

Это лишь небольшой список металлов и сплавов, которые часто используются для литья. Существует множество других материалов, которые также могут быть подвергнуты литью в зависимости от требований проекта.

Традиционное литье в земляные формы

Один из самых древних способов литья, тем не менее, сохранивший промышленное значение —литье в земляные формы, также известное как литье в песчаные формы. Основные этапы технологии:

• Изготовление модели. Сначала создается модель будущего изделия. Она может быть сделана из дерева, пластика или других материалов. Модель должна быть немного больше, чем окончательное изделие, чтобы учесть усадку металла при охлаждении.
• Изготовление формы из песчаной смеси. Модель помещается в специальную раму, а затем песок смешивается с вяжущим веществом (обычно глиной), чтобы создать оболочку вокруг модели. Это создает отрицательный отпечаток будущего изделия. Песчаная смесь должна быть тщательно уплотнена.
• Удаление модели. После того как песчаная смесь затвердеет, модель удаляется, оставляя пустоту, соответствующую форме изделия.
• Сборка формы. Песчаные половины формы (верхняя и нижняя) соединяются вместе, чтобы создать полную форму для литья.
• Литье металла. После того как форма готова, она устанавливается так, чтобы оставить отверстия для заливки металла и удаления газов. Металл нагревается до жидкого состояния и заливается в форму через отверстие.
• Охлаждение и удаление изделия. После заливки металл остывает и затвердевает в форме. Затем форма разбирается, а изделие удаляется. Обычно требуются удаление излишков материала и поверхностная обработка для достижения требуемой формы и отделки.

Традиционное литье в земляные формы требует опыта и умения, но оно все еще используется в различных промышленных сферах, особенно для создания одиночных или небольших партий. Но среди исторически важных изделий встречаются удивительно точные образцы, изготовленные методом земляного литья, форму которых сложно воссоздать даже с использованием современных технологий.

Прецизионное литье по выплавляемым моделям

Прецизионное литье по выплавляемым моделям, также известное как литье по утрачиваемым моделям или литье по потерянным восковым моделям (Lost Wax Casting), это технология литья, которая использует восковые или полимерные (реже) модели для создания формы. Основные шаги этой технологии:

• Изготовление модели. Сначала создается восковая модель будущего изделия. Она может быть сделана вручную с использованием воска или с помощью компьютерного управления (CAD), после чего модель создается с помощью 3D-принтера.
• Формирование восковой модели в керамической оболочке. Восковая модель погружается в жидкую керамическую смесь, которая затвердеет вокруг модели в виде скорлупы. Этот процесс повторяется несколько раз, чтобы создать толстую керамическую форму.
• Отделение восковой модели от оболочки. Керамическая оболочка с внутренней восковой моделью подвергается тепловой обработке, которая позволяет воску вытекать из оболочки, оставляя полость, соответствующую будущему изделию.
• Литье металла. Полость в керамической оболочке заполняется расплавленным металлом. Это может происходить под давлением или гравитационно.
• Охлаждение и разрушение керамической оболочки. После заливки металл остывает и затвердевает в форме. Затем керамическая оболочка разрушается с помощью вибрации или тепловой обработки, и изделие извлекается.
• Отделка и обработка изделия. После извлечения из формы изделие может потребовать дополнительной обработки, удаления излишков материала, шлифовки и полировки, чтобы достичь желаемой формы и отделки.

Прецизионное литье по выплавляемым моделям обеспечивает высокую точность и детализацию изделий, что делает его широко используемым в изготовлении ювелирных изделий, аэрокосмической промышленности, медицинских протезов и других областях, где требуется высокая степень точности и качества.

Кокильное литье

Технология кокильного литья является процессом формирования металлических деталей путем заливки расплавленного металла в предварительно изготовленную разборную форму (кокиль). Основные шаги этой технологии:

• Изготовление кокиля. Сначала создается форма, которая состоит из двух половин, верхней и нижней. Кокиль может быть изготовлен из стали, чугуна или специальных сплавов и имеет каналы для заливки металла и отвода газов.
• Подготовка кокиля к заливке. Кокиль размещается в машине для литья закрывается и устанавливается в нужном положении.
• Подготовка металла. Металл нагревается до определенной температуры до жидкого состояния в специальной печи.
• Заливка металла в кокиль. После того как металл достигает нужной температуры, он подается в кокиль под давлением с помощью поршня. Металл заливается в полость кокиля через заливной канал.
• Охлаждение и застывание. После заливки металл остывает и затвердевает внутри кокиля. Этот процесс может занимать от нескольких секунд до нескольких минут, в зависимости от размера и толщины детали.
• Извлечение изделия из кокиля. После застывания металла кокиль открывается, и изделие извлекается. Излишки материала могут быть удалены, и деталь может потребовать дополнительной обработки или отделки.

Технология кокильного литья широко используется в автомобильной промышленности, производстве бытовой техники, электронике и других областях, где требуется высокая производительность и точность изготовления серийных деталей. Она обеспечивает быстрое производство больших объемов деталей с высокой точностью и качеством.

Литье под высоким давлением

Литье под высоким давлением (High Pressure Die Casting, HPDC) — один из наиболее широко используемых методов литья металлов для создания сложных и высококачественных деталей из алюминия, цинка и других сплавов. Основные шаги технологии:

• Подготовка пресса. Специальная литейная машина, называемая литейным прессом, подготавливается к процессу. Это включает в себя нагревание кокиля, установку инструмента и настройку параметров литья.
• Формирование кокиля. Кокиль (форма) состоит из двух половин, верхней и нижней, и может быть изготовлен из стали или специальных сплавов. В кокиль встроены полости, соответствующие форме будущей детали.
• Заполнение кокиля металлом. Металлический сплав нагревается до определенной температуры и заливается в кокиль под высоким давлением, обычно от 10 до 175 МПа (от 1,450 до 25,400 psi). Давление позволяет металлу заполнить каждую деталь формы точно и равномерно.
• Охлаждение и застывание. После заливки металла кокиль остывает, и металл затвердевает, принимая форму полости кокиля.
• Извлечение изделия из кокиля: После застывания металла кокиль открывается, и изделие извлекается. Излишки материала могут быть удалены, и деталь может потребовать дополнительной обработки или отделки.

Технология литья под высоким давлением позволяет быстро и эффективно производить детали с высокой точностью, плотностью и поверхностной отделкой. Она широко используется в автомобильной промышленности, электронике, бытовой технике, медицинском оборудовании и других отраслях из-за своей способности к массовому производству высококачественных деталей.

Литье под регулируемым давлением

Метод Low Pressure Die Casting, LPDC заключается в том, что расплавленный металл заливается в разборную форму под небольшим давлением, контролируемым с помощью газа или сжатого воздуха. Процесс обеспечивает равномерное наполнение кокиля, снижает вероятность дефектов и позволяет получить более крупные детали по сравнению с высоким давлением. Основные шаги технологии литья под регулируемым давлением:

• Подготовка формы. Кокиль подготавливается для процесса литья. Кокиль состоит из двух половин, верхней и нижней, и имеет каналы для заливки металла и отвода газов.
• Загрузка расплавленного металла. Металлический сплав нагревается до определенной температуры и затем загружается в специальный резервуар, который находится над кокилем. Давление в этом резервуаре контролируется.
• Заливка металла. С помощью пневматического давления расплавленный металл заливается в кокиль через заливной канал. Давление контролируется таким образом, чтобы обеспечить равномерное и контролируемое наполнение формы.
• Охлаждение и застывание. После заливки металл остывает и затвердевает внутри кокиля.
• Извлечение изделия из кокиля. После застывания металла форма открывается, и изделие извлекается. Излишки материала удаляют. Деталь может потребовать дополнительной обработки или отделки, в отличие от изготовленной под высоким давлением.

Технология литья под регулируемым давлением широко используется для производства крупных и сложных деталей, таких как кузовные части автомобилей, крылья самолетов, корпусы моторов и т. д. Этот метод обеспечивает высокую точность и качество деталей, а также эффективность процесса производства, в том числе штучных деталей, для которых форма изготавливается по индивидуальному проекту.

Литье в оболочковые формы

Литье в оболочковые формы, также известное как Shell-литье, представляет собой процесс создания отливок из различных видов сталей, включая жаропрочные и нержавеющие, а также металлических цветных сплавов. Для этого используются формы, состоящие из смеси кварцевых песков и фенолоформальдегидной смолы.

Метод обладает рядом преимуществ по сравнению с литьем в песчаные формы, так как он обеспечивает более высокую точность размеров отливок и имеет более высокую производительность в процессе подготовки форм и заливки металла. Он наиболее подходит для создания малых и средних деталей сложной формы, требующих высокой точности. Примеры применения оболочковых отливок — детали двигателей и тонкостенные конструкции.

Процесс создания формы:

• На горячую металлическую модель наносят смесь из песка и фенолоформальдегидной смолы, которая выдерживается в течение нескольких секунд до образования упрочненной корки.
• Излишки формовочной смеси удаляются, а толщина "оболочки" формы составляет от 10 до 20 мм, в зависимости от условий процесса.
• Форма с "оболочкой" подвергается дополнительному отверждению в печи, достигая прочности от 2,4 до 3,1 МПа.
• Закаленные "оболочки" удаляются с модельной плиты при помощи толкателей.
• Несколько "оболочек" скрепляются вместе с помощью зажимов или термореактивного клея, чтобы создать форму для заливки металла.
• Перед заливкой собранные формы помещаются в контейнеры и заливаются металлом.

Центробежное литье

Это процесс формирования металлических деталей, в котором расплавленный металл заливается в поворачивающуюся форму. Этот метод обеспечивает равномерное распределение металла под действием центробежной силы по всей форме и высокую степень детализации. Форма, обычно сделанная из металла или специальных материалов, устанавливается на оси вращения, затем подогревается до определенной температуры, чтобы обеспечить правильное растекание расплавленного металла. Расплавленный металл заливается в форму, которая вращается с высокой скоростью. Центробежная сила заставляет металл равномерно распределиться по всей поверхности формы. После заливки металл начинает затвердевать. Этот процесс может быть ускорен путем охлаждения формы или подачи холодной воды.

Центробежное литье часто используется для производства крупных и тонких металлических деталей, таких как лопатки турбин и ободья колес. Процесс обеспечивает высокую точность размеров и отличное качество поверхности деталей.

Литье по газифицируемым моделям

Метод литья металла, который включает использование моделей из полистирола или полиуретана, которые помещаются в песчаную форму, а затем подвергаются действию высокой температуре от расплавленного металла, что приводит к испарению или "газификации" модели.

Процесс литья по газифицируемым моделям выглядит так:

• Модель создается из газифицируемого материала, обычно с использованием методов CAD/CAM или 3D-печати.
• Модель устанавливается в песчаную форму, созданную вокруг нее, образуя полость для заливки металла.
• Форма с моделью подвергается высокой температуре, которая приводит к газификации материала модели. При этом материал превращается в газы и испаряется, оставляя полость в песчаной форме.
• После газификации модели расплавленный металл заливается в полость формы, где он застывает и принимает форму модели.
• После застывания металла форма разрушается или разбирается, а полученная деталь подвергается охлаждению и последующей обработке.

Этот метод позволяет создавать сложные детали с высокой точностью и повторяемостью. Он часто используется в производстве прототипов и небольших серийных производствах, где требуется быстрое изготовление деталей без необходимости создания дорогостоящих форм.

Непрерывное литье

Процесс производства металлических заготовок, при котором металл постоянно заливается в форму или пресс-форму, что позволяет непрерывно получать длинные заготовки или большое количество однотипных деталей.

Процесс непрерывного литья включает следующие шаги

• Металл расплавляется в печи или плавильном котле до нужной температуры и подготавливается для заливки в форму.
• Расплавленный металл непрерывно заливается в форму или ряд форм, которые последовательно подаются с помощью специального оборудования.
• Металл затвердевает в форме под воздействием охлаждения. В случае непрерывного литья, процесс охлаждения может быть организован с помощью воды или других охлаждающих средств, протекающих вокруг формы.
• После достаточного затвердевания заготовка извлекается из формы, с помощью специального устройства или механизма, а пустая форма опять подается на линию литья.

Процесс непрерывного литья обеспечивает высокую производительность и эффективность производства, поскольку он позволяет получать заготовки без необходимости остановки процесса для извлечения каждой отдельной детали. Этот метод широко используется в промышленности для производства длинных изделий —проволоки, балок и труб, а также слитков для дальнейшей обработки.

Литье металла по технологии XTC

Холодно-твердеющие смеси (ХТС) представляют собой композиции, которые затвердевают на воздухе, внутри или вне формы под воздействием газообразных, порошкообразных или жидких отвердителей, или катализаторов. Литье в холодно-твердеющие смеси применяется при создании отливок различной формы из черных и цветных сплавов. Этот метод легко настраивается под разнообразные требования к производительности, качеству (включая чистоту, точность по размерам и массе, внешний вид), уровню инвестиций, экологическим и климатическим условиям, а также квалификации персонала.

Холодно-твердеющие смеси (ХТС) используются в двух типах процессов: Cold-Box и No-Bake. В Cold-Box используются для производства стержней, тогда как No-Bake для форм.

No-Bake процессы, входящие в категорию ХТС, основаны на полимеризации смолы под воздействием отвердителей.

Существует несколько видов No-Bake формовки:

• Alpha-set, основанный на щелочной системе.
• Pep-set, использующий фенол-уретановую систему.
• Фураниловый, основанный на кислотном отверждении.
• К Cold-Box процессам относятся также технологии Amin, и Resol-CO2.

Технология XTC позволяет создавать отливки сложной формы с высокой чистотой поверхности, часто не требующей дальнейшей обработки.