Глава 3. Производство литых заготовок и изделий

§ 17. Основные виды литейного производства

Литейное производство объединяет различные способы получения литых заготовок и изделий. В литейном производстве имеются два главных процесса: получение металла или сплава в жидком состоянии и получение отливки посредством затвердевания расплава в литейной форме. Продукция литейного производства - чушки, слитки, фасонные отливки.

Подавляющая масса металла, используемая в современной технике, на определенной стадии переработки подвергается плавке и затвердеванию, т. е. процессам, присущим литейному производству. Современное литейное производство состоит из производства слитков и фасонно-литейного производства.

Производство слитков имеет целью получение литых заготовок из чистых металлов и сплавов для последующей обработки давлением на полуфабрикаты в виде балок, рельсов, листов, ленты, фольги, прутков, проволоки, труб. Эту отрасль литейного производства называют также заготовительным литьем. Слитки имеют форму призм, плит, сплошных и полых цилиндров. Слитки получают литьем в изложницы (так называемое наполнительное литье) и непрерывным или полунепрерывным литьем. Главная трудность при получении слитков заключается в обеспечении равномерного химического состава во всем объеме слитка, в получении здорового плотного металла без пузырей, усадочных раковин, пор и окисных плен. В слитках наиболее желательна мелкая равноосная макроструктура, поскольку при такой структуре облегчается пластическая деформация и уменьшается вероятность разрушения металла. Желательно также, чтобы оси и ветви дендритов имели минимальные размеры, а выделения упрочняющих фаз были возможно более мелкими. Такое состояние макро- и микроструктуры достигается тем полнее, чем больше скорость охлаждения, поэтому повышение интенсивности отвода тепла от слитков при затвердевании, как правило, является одним из главных путей улучшения их качества.

Для облегчения обработки давлением слитки подвергают предварительному отжигу, который приводит к снятию внутренних напряжений и гомогенизации - выравниванию состава в микрообъемах.

Литье в изложницы является более старым способом получения слитков, но с его помощью и теперь получают большую часть стальных слитков.

Непрерывное литье слитков начало развиваться с 1940 г. Сущность этого способа литья слитков заключается в том, что жидкий металл поступает в водоохлаждаемый кристаллизатор, затвердевает там и в виде слитка непрерывно вытягивается из кристаллизатора. Процесс может быть полностью непрерывным, когда вытягиваемый слиток на ходу режется на мерные заготовки. Чаще процесс осуществляется как полунепрерывный, когда после вытяжки слитка длиной 3 - 6 м литье прекращается.

Особые случаи полунепрерывного литья имеют место при получении слитков дуговой, электронной и плазменной плавкой, а также злектрошлаковым переплавом. В этих процессах плавка и затвердевание совмещены в одном узле плавильного агрегата - в кристаллизаторе, а литья как такового нет: слиток непрерывно наплавляется сверху либо в глухом кристаллизаторе, либо в проходном с непрерывной вытяжкой. Такие способы получения слитков применяются для высококачественных сталей, титана, молибдена, циркония и других тугоплавких редких металлов и их сплавов.

Кроме обычных трудностей но обеспечению постоянного химического состава, высокой плотности без пузырей, усадочных раковин при получении слитков непрерывным и полунепрерывным литьем остро встают вопросы внутренних термических напряжений. Из-за интенсивного охлаждения эти напряжения достигают столь большой величины, что могут вызывать разрушение слитков. Особенно остро эта проблема стоит при получении слитков больших сечений.

Фасоннолитейное производство объединяет процессы, с помощью которых получают фасонные отливки, т. е. литые заготовки, очень близкие по форме к будущей детали. От последней фасонная отливка отличается припусками на механическую обработку и специальными технологическими литейными приливами в виде выпоров, прибылей, литниковой системы. Выпоры необходимы для вывода воздуха и газов из литейной формы в ходе ее заполнения расплавом. Прибыли представляют собой массивные приливы, размещенные возле утолщений на отливке. Они предназначены для пополнения усадки - убыли объема при кристаллизации расплава. Литниковая система представляет собой систему каналов (литниковая чаша - воронка, стояк, шлаковик-коллектор, литники-питатели), по которым жидкий металл поступает в рабочую полость литейной формы. Литниковая система необходима для того, чтобы заполнить форму спокойными потоками металла, без разбрызгивания и захвата газовых пузырей и окисных плен. В литниковой системе удерживаются неметаллические загрязнения, имеющиеся в расплаве. С помощью литниковой системы в определенной мере создаются условия направленного затвердевания отливки, обеспечивающие отсутствие усадочных пороков - раковин и пористости.

Фасоннолитейное производство по характеру использования литейных форм подразделяется на литье в разовые формы и литье в постоянные формы. В первом случае литейная форма используется один раз, так как при извлечении из нее полученной отливки она разрушается. Во втором случае литейная форма используется многократно - до нескольких сотен тысяч раз. Разовую литейную форму изготавливают из песчано-глинистых смесей с добавками воды или специальных связующих веществ, путем уплотнения ее вокруг модели. Основную массу фасонных отливок (более 90% по массе) получают в настоящее время из чугуна и стали литьем в разовые песчано-глинистые формы. Главное преимущество этой разновидности фасоннолитейного производства заключается в минимальных производственных затратах. Получение крупных отливок массой несколько сот килограммов и более практически невозможно какими- либо иными способами. Серьезный недостаток данного технологического процесса - невысокая точность размеров отливок. Это связано с самим способом изготовления форм, при котором приходится извлекать модель из уплотненной формовочной смеси, а форму собирать из двух - трех и более частей.

В последние 30 лет большое распространение получил процесс литья по выплавляемым моделям. Этот процесс предназначен для получения небольших отливок, обеспечивая весьма высокую точность их размеров. В данном процессе модель, изготовленную заранее из легкоплавкой органической массы, в процессе получения литейной формы не извлекают, а выплавляют.

Постоянные литейные формы изготовляют из чугуна и сталей. Применяют их в основном для получения фасонных отливок из алюминиевых и цинковых сплавов. Поскольку изготовление металлической литейной формы обходится весьма дорого, этот способ применяется при достаточно крупносерийном производстве. Применение металлических литейных форм позволяет существенно повысить точность размеров отливок и качество металла по механическим свойствам и плотности. Литье в металлические формы можно разделить на кокильное литье и литье под давлением, Кокильное литье получило название от слова "кокиль", которым обозначают металлическую литейную форму, заливаемую жидким металлом обычным способом. При литье под давлением жидкий металл запрессовывается в литейную форму с усилием до нескольких десятков тонн. Процесс ведется на специальных машинах; литейная форма называется прессформой.

Главные трудности фасоннолитейного производства заключаются в обеспечении необходимой точности размеров отливок и заданного уровня механических свойств. Очень важным является получение здоровой плотной отливки, не имеющей усадочных пороков в виде раковин, пористости или рыхлоты. Это достигается правильно организованным ходом затвердевания, при котором объемная усадка, проявляющаяся при кристаллизации металла, непрерывно и беспрепятственно восполняется жидким металлом из прибылей или литниковой системы.

В получении здоровой фасонной отливки очень большую роль играют литейные свойства сплавов (см. далее), а также правильная конструкция самой детали. Много осложнений при фасонном литье вызывает появление трещин от затрудненной линейной усадки. Проблема решается как регулированием состава сплава, так и технологическими приемами (окраска литейных форм, стержней, подбор связующих, нагрев формы и др.). Увеличение скорости охлаждения при получении фасонных отливок, вызывающее измельчение макро- и микроструктуры металла, является одним из главных способов повышения механических свойств фасонного литья. Кроме того повышение скорости охлаждения улучшает условия питания отливки, т. е. условия восполнения объемной усадки в ходе затвердевания. Это также благоприятно сказывается на свойствах.