Специальное литье и краткая характеристика: методы, технологии

Технологии, используемые для стального литья

Стальное литьё, производимое на ЗАО «ЗСМ «Маяк» производится по стандартным, качественным технологиям, которые позволяют получить готовую стальную продукцию практически любой серийности, сложности и только высокого качества. Технологии, которые используются на заводе:

Литьё стальное в песчано-глинистые смеси

Класс размерной точности по ГОСТ Р 53464-2009 : 9-14;
Шероховатость поверхности получаемых отливок по ГОСТ 2789-73 Ra = 80 — 100 мкм;
Минимальная толщина стенок в изделиях – 3 мм;
Масса получаемых отливок – от 0,5 кг до 25 тонн.

Литье стальное в холодно-твердеющие смеси (ХТС), жидкостекольные смеси (ЖСС)

Класс размерной точности по ГОСТ Р 53464-2009 : 8-13;
Шероховатость поверхности получаемых отливок по ГОСТ 2789-73 Ra = 40 — 100 мкм;
Минимальная толщина стенок производимых изделий – 3 мм;
Масса получаемых отливок – от 0,5 кг до 25 тонн.

Изготовление литейных форм

Ручное изготовление форм предполагает выполнение действий в следующей последовательности.

Начинают с изготовления нижней полуформы.

На подмодельную доску устанавливают нижнюю половину модели, у которой нет центрирующих шипов. После этого ставят опоку. Разделительным составом покрывают поверхность модели и доски, чтобы смесь и оснастка не прилипали друг к другу. Обычно для этого применяют графит или тальковый порошок, кварцевый песок. 20-30 миллиметровый слой облицовочной смеси тоже наносят на модель, руками вокруг самой модели уплотняют эту же часть. Остальной объём опоки заполняется наполнительной смесью. Трамбовка сначала идёт у стенок опоки, потом переходит к средней части. Линейку применяют для срезания излишков. Отверстия для выхода газов накладывают на расстоянии 10-15 миллиметров от модели, и 40-50 мм друг от друга. Вторая подмодельная доска закрывает заформованную опоку, потом всё переворачивают на 180 градусов.

Изготовление верхней полуформы.

Верхнюю половину модели устанавливают на нижнюю половину, по центрирующим шипам. Следом устанавливают модели шлакоуловителей вместе со стояком и выпорами. Тонким слоем сухого кварцевого песка посыпают поверхность разъёма формы, чтобы защититься от прилипания смеси в нижней опоке к формовочному аналогу. По центрирующим штырям на нижнюю опоку устанавливают верхнюю. Наполнение формовочными смесями идёт так же, как и в случае с верхней частью. Литниковую чашу прорезают гладилкой, когда уплотнение смеси завершено.

Извлечение моделей.

Требуется раскачать модели стояка и выпоров, удалить их из верхней полуформы. Опоку внизу тоже снимают, потом поворачивают на 180 градусов, чтобы разъём находился вверху. Питатели прорезают гладилкой, в плоскости разъёма нижней полуформы. Половину обычных моделей и модель шлакоулавителей тоже удаляют из полуформ, слегка раскачав конструкции

Важно удалить любые дефекты, которые появились в процессе работы. Для удаления возможных засоров всё обдувают сухим влажным воздухом

Молодой древесный уголь или графит применяют для припыливания поверхности.

Сборка литейной формы.

Стержень устанавливают в нижнюю полуформу, когда подобное действие необходимо. Потом сверху идёт верхняя полуформа. Скобами или штырями конструкцию фиксируют, потом на верхнюю полуформу устанавливают груз. Это необходимо, чтобы предотвратить уход металла жидкой формы через разъём во время отливки. Металл заливают в форму, пока не будет заполнен весь объём.

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.

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.

Особенности литья металлов

Олово

Свинец

Есть ли возможность получать детали большего веса?

Да, такая технология существует. Но она может использоваться только в тех случаях, когда одновременно обрабатывается от ста тонн стали и больше. Сперва металл плавят в условиях вакуума, а затем разливают его не в формы, а в специальные формовочные ковши, которые также защищены от поступления в их полость воздуха.

После этого готовый расплав может быть распределен по формам, из которых насосом предварительно также откачали воздух. Сталь, получаемая в результате такого технологического процесса, довольно дорогая. Ее применяют для ковки, а также некоторых видов все того же литья, когда требуется получать заготовки и детали максимально высокого качества.

Характеристики нашего литейного производства

В цехах установлены плавильные печи следующих моделей: ИСТ 25 – 2 шт, ИСТ 15 – 1шт, ДСП-3М – 2 шт, ИСТ 1,5 – 2 шт, ИСТ 0,75 – 2 шт;
Площадь литейного цеха завода – 18 000 м2;
Производственные мощности завода – 24 000 т/год;
Установленные линии машинной формовки изделий с размерами опок – 1050×600×300 мм, 850×680×300 мм, 1050×800×300 мм, 1200×1600×450 мм;
Ручной плац: 2 000 м2;
Установленные печи для отжига:
- Загрузка 25 т. Рабочий размер: B=2500 мм, H=1850 мм, L=5500 мм – 2шт;
- Загрузка 100 т. Рабочий размер: B=7000 мм, H=7000 мм, L= 14000 мм – 2 шт;
Сроки изготовления:
- Модельная оснастка – от 3 дней
- Готовая отливка – от 5 дней;
Наивысшая возможная группа сложности отливки – 6 (тонкостенные детали корпусов);
Применяемые лабораторные протоколы контроля:
- Рентгеноскопия;
- Ультразвуковая дефектоскопия;
- Магнитоскопия;
- Механические испытания
Протоколы контроля: ультразвуковая дефектоскопия, рентгеноскопия, магнитоскопия, механические испытания;
Возможные показатели качества при литье в землю – количество брака не более 5,8%.

Бронза в литейном деле

О технологии бронзового литья было известно не менее 12 тысячелетий тому назад, тогда из бронзы отливали не только простые орудия труда и предметы домашнего обихода, но и разнообразные украшения. На протяжении веков мастера литейного дела совершенствовали технологию, которая сегодня стала отработанным способом создания уникальных предметов различной направленности.

Произведения мастеров средних веков и античных времен, сохранившиеся до наших дней, удивляют совершенством бронзового литья. Современная изысканность бронзовых изделий ассоциируется с аристократизмом средневековья, украшая современный быт.

Совершенствование этапов работы с металлом позволяет использовать бронзу не только для изготовления скульптурных композиций и сувенирных наборов. Из металла отливают ограждения (ворота, заборы) и лестничные конструкции, предметы оформления интерьеров, барельефы и осветительные приборы.

История технологии

Историки и археологи утверждают, что литье из бронзы начало развиваться более 10 тысяч лет назад. В начале истории появления этого сплава он использовался для производства орудий труда и примитивных украшений. Раньше сплав использовали только в производственных целях. На данный момент бронза используется для изготовления декоративных изделий, заборов, подвижных ограждений, люстр, бра, скульптурных композиций.

Моментом самого главного пика изготовления изделий из бронзы является период европейского барокко. В этот период люди украшали свои дома и поместья декоративными элементами из этого сплава.

Некоторые недостатки метода

Недостатком данного способа литья является то обстоятельство, что для него подходят только те виды металлов, которые отличаются повышенной текучестью в расплавленном виде. Например, для стали годится только отливка под давлением (о ней ниже), так как материал этот хорошей текучестью не обладает вообще. Под действием сжатого воздуха даже самые «тягучие» сорта стали намного лучше принимают требуемую форму. Плохо то, что обычный кокиль таких экстремальных условий производства попросту не выдержит и развалится. А потому приходится использовать особый метод производства, о котором мы расскажем чуть ниже.

Из чего изготавливаются формовочные смеси?

Основой служат различные сорта песков и глин, а также связующие составы. В их роли могут выступать масла натуральные и синтетические, олифа, смола, канифоль, да хоть деготь.

Далее наступает время формовщиков, в задачу которых входит изготовление литейных форм. Если объяснять проще, то делается это так: берется деревянный ящик, в него кладется половинка от формы (она же разъемная), а промежутки между стенками модели и формы забиваются формовочным составом.

То же самое делают со второй половиной и скрепляют обе части штырями

Важно заметить, что в ту часть формы, которая при заливке окажется наверху, вставляют два специальных конуса. Один из них служит для заливания расплавленного металла, второй – для выхода расширяющихся газов

Окончание подготовительного этапа

А сейчас наступает время едва ли не для самой ответственной части операции. Опоки очень аккуратно разъединяют, стараясь не допускать нарушения целостности формовочной смеси. После этого в земле остаются два четких и подробных отпечатка будущей детали. После этого их покрывают особой краской. Делается это, чтобы расплавленный металл не вступал в непосредственное соприкосновение с землей формовочной смеси. Этого технология литья металлов допускать не должна, так как в противном случае качество готового изделия может значительно ухудшаться.

Если в этом есть необходимость, в это же время прорезается дополнительный литниковый проход, необходимый для заливки расплава. Опоки вновь складывают и максимально прочно соединяют. Как только формовочная смесь слегка подсохнет, можно приступать к литью.

Окончание подготовительного этапа

Электрошлаковое литьё

Существуют ли какие-то способы литья металлов, которые с полным на то правом можно называть современными? Электрошлаковое литьё. При этом жидкий металл сперва получают, воздействуя на предварительно подготовленное сырье мощными электродуговыми разрядами. Может использоваться и бездуговой метод, когда железо плавится от тепла, аккумулируемого шлаком. А вот на последний-то и действуют мощные разряды.

После этого жидкий металл, который на протяжении всего процесса ни разу не соприкасался с воздухом, поступает в кристаллизационную камеру, которая «по совместительству» является еще и литейной формой. Используется этот метод для сравнительно простых и массовых отливок, для изготовления которых не нужно соблюдать множество условий.

История и суть технологии

В древние времена сталь получали в шахтных печах сыродутным способом. Для этого использовался древесный уголь. Железо добывалось из руды. Одновременно в качестве сырья использовались мелкие кусочки чугуна. Плавка проводилась в тиглях. Качество получаемого материала было высоким, но малопроизводительным. Однако именно таким способом получали дамасскую сталь.

Позже чугун перерабатывался при помощи кричного передела. Шло его рафинирование в кричном горле.

В 18 веке начала внедряться технология пудлингования. Исходным материалом так же выступал чугун. Недостатком технологии являлась низкая производительность.

Мартеновский способ производства был разработан в 19 веке. Он оказался настолько удачным, что применялся в течение 100 лет. И только затем в 50 годах его сменил кислородно-конвертерный процесс.

Особенности и преимущества производства стального литья

Как происходит изготовление литых изделий из стали? В общем виде процесс выглядит следующим образом: материал нагревают до точки плавления, перемещают в специальную форму и ожидают его затвердевания. После этого (когда отливка завершится), продукция подвергается обработке: это необходимо для повышения степени точности и устранения дефектов, которые могут возникать в ходе производства. Чаще всего используются такие технологии, как литье в песчано-глинистые смеси, в холодно-твердеющие смеси (ХТС) и в жидкостекольные смеси (ЖСС).

Песчано-глинистые формы выбирают для производства изделий, которые имеют большие габариты (например, корпуса турбин). Эта технология пользуется популярностью благодаря возможности получения отливок, имеющих сложную форму и большие размеры. При этом стоимость производства находится на доступном уровне. Литье в ХТС обеспечивает получение отливок с высоким качеством поверхности и имеющих значительно меньшее количество каких-либо дефектов и засоров. Класс точности – от 9. В ряде случаев более подходящим считается применение технологии литья в ЖСС. Выбор конкретной технологии происходит в зависимости от габаритов изделия, его веса, а также марки стали и состава сплава.

Литье получило распространение не только в нашей стране, но и во всем мире: метод активно применяется для производства деталей неразборных типов, характеризующихся повышенной степенью прочности, долговечностью и надежностью. Также они отличаются выносливостью при эксплуатации в условиях высоких температур.

Производство стального литья нередко выступает единственным методом создания изделий (для ряда конструкций прокатка металла и деформация неприменимы). Популярность метода объясняется и тем, что благодаря появлению современных технологий, литье из стали по характеристикам почти ни в чем не уступает кованой продукции, при этом стоимость находится на более демократичном уровне. Но, конечно, получение прочных и долговечных изделий возможно только при условии соблюдения всех требований в процессе производства.

Особенностью изготовления стального литья относительно чугунного является выраженные усадочные явления, которые необходимо учитывать при проектировании литнико-питающей системы в целях недопущения наличия усадочных дефектов (раковины, поры) в отливках. Руководством ЗАО «Завод специального машиностроения «Маяк» в 2015г была внедрена автоматизация процессов разработки литейной технологии с применением современных программ ProCast и LVMFlow. Это позволяет запускать в производство отливки только после устранения всех возможных литейных дефектов на этапе проектирования, что гарантирует получение годных отливок в сжатые сроки без каких-либо дефектов, в том числе скрытых (подробнее)

Начало литья

Сперва в вагранках, то есть специальных печах, расплавляют чугунные заготовки. Если же требуется отливать сталь, то сырье плавят в доменных, мартеновских, инверторных и прочих печах. Чтобы привести в состояние расплава цветные металлы, используют специализированные плавильные устройства.

Все, можно приступать к литью. Если форма одна, то расплав туда вливают ковшом, в индивидуальном порядке. В остальных же случаях, как правило, организуется конвейер: или лента с заготовками идет под ковшом, или же ковш движется над рядами опок. Здесь все зависит исключительно от организации производства. Когда приходит время и металл остывает, его вынимают из формы. В принципе, этот метод идеален в тех случаях, когда требуется литье металлов в домашних условиях (для кузни, например). Чего-то более совершенного в таких условиях добиться все равно не получится.

Пескоструйными или шлифовальными машинами с готового изделия снимается окалина и приставшая формовочная смесь. Кстати говоря, этот метод активно применялся при производстве танков во время Великой Отечественной войны. Именно так производили литые башни, причем простота и технологичность данного процесса позволяла выпускать огромное количество боевых машин, которые были так нужны фронту. Какие еще существуют виды литья металлов?

Каким должен быть металл для литья

Важнейшее свойство металла, который предполагается использовать для литья, – его текучесть. Сплав в расплавленном виде должен максимально легко перетекать из одного тигля в другой, заполняя при этом его мельчайшие выемки. Чем выше текучесть, тем тоньше стенки можно сделать у готового изделия. С металлом, который растекается плохо, намного сложнее. В обычных условиях он успевает схватиться значительно раньше, чем заполнит все промежутки формы. Именно с этой сложностью промышленники сталкиваются, когда выполняют литье сплавов металлов.

Неудивительно, что именно чугун стал излюбленным материалом литейщиков. А все потому, что у этого сплава превосходная текучесть, из-за чего работать с ним относительно просто. Сталь далеко не столь текуча, а потому для полного заполнения формы (чтобы не было каверн и пустот) приходится прибегать к самым разным ухищрениям.

В простейшем случае, когда требуется домашнее литье металла, сырье расплавляют и маленькими порциям выливают в воду: так, в частности, можно изготовить грузила для рыбалки. Но данный метод сравнительно широко используется даже в оружейной промышленности! С вершины специальной башни, по очертаниям напоминающую градирню, также дозировано начинает выливаться расплавленный металл. Высота сооружения такова, что до земли долетает идеально сформованная капелька, уже остывшая. Именно так производится в промышленных объемах дробь.

Подбор специалистов

Эта профессия предполагает производство чугунных, стальных или цветных металлических деталей различными процессами литья, а также периодическое проведение испытаний материалов с целью обеспечения качества. Специалист современного литейного цеха – обрубщик, плавильщик, формовщик — должен знать различные типы пресс-форм и материалов, обработку литейных инструментов, химические процессы, происходящие во время литья.

Профессиональная подготовка включает в себя:

Теоретическое профессиональное обучение;
Практику в компании непосредственно на рабочих местах;
Стажировку или прохождение курсов переподготовки.

Последний этап предназначается для специалистов литейного производства, желающих повысить свою квалификацию. Среди них могут быть операторы производства, инженеры, менеджеры, металлурги, персонал подразделений, обеспечивающих качество, специалисты по охране труда.

В обязательную программу подготовки или переподготовки входят:

Основы металлургических процессов (материалы, термодинамика).
Виды оборудования.
Вторичные металлургические процессы (заливка, перемешивание металла, охлаждение).
Пресс-формы, их проектирование и обслуживание.
Дефекты литья.
Моделирование литейных процессов.

Литьё на основе выплавляемых моделей

Такой способ использовался для литья скульптур ещё много лет назад. В 40-ых годах двадцатого века нашёл применение в сфере машиностроения.

Отличается трудоёмкостью процесса и высокими ценами. Но во многих ситуациях оправдано и применение такой технологии, например:

При отсутствии последующей обработки механического характера.
Если механическая обработка сама слишком сложная и трудоёмкая.
Используются труднообрабатываемые сплавы.

Изготовление отливок по выплавляемым моделям существует большое количество, как и рецептур по модельным и формовочным смесям.

Широкое распространение получила смесь, в которой по 50% стеарина и парафина. Под небольшим давлением в пресс-форму из печи размещают легкоплавкий сплав в расплавленном состоянии. Результат – легкоплавкие модели, сохраняющие точные размеры.

Легкоплавкую модель достают из формы, когда изделие полностью затвердеет. Потом всё собирается в блоки с литниковой системой. Следующий этап – погружение в огнеупорную суспензию, состав которой включает 70% кварцевой муки и 30% гидролизованного раствора этилсиликата с повышенной клейкостью. Блок с моделями посыпают кварцевым песком, потом подвергают сушке. Эти операции повторяют по несколько раз, чтобы в итоге получить конструкцию с толщиной 5-8 миллиметров.

Плавление идёт с помощью горячего воздуха, температура которого составит 120-150 градусов, допустимо применение и холодной воды. В металлический жакет помещают облицованную и просушенную форму, когда речь идёт о крупных разновидностях отливок. Потом всё засыпают песком и уплотняют, либо засыпают металлическими смесями.

Потом идёт прокаливание готовой формы, пока не наберётся температура в 850-900 градусов. При таких условиях выгорают все остатки легкоплавкого металла. Сама форма становится прочной керамической оболочкой.

Расплавленный сплав помещают в форму. Используют центробежные силы, когда возникает необходимость.

Блоки отливок выбивают из опок после того, как металл затвердел. Отдельно отбивают корку из керамики. Для этого отливки выщелачивают в ванне с раствором при 120 градусах. Потом остаётся всё промыть в горячей воде. Многие заводы автоматизируют и механизируют процессы обработки.

Для получения точных отливок в промышленности начали применять следующие технологии:

По газифицирующим моделям.
По выжигаемым моделям.
По размораживаемым.
На основе растворяемых.
Газофицируемые модели или использование пеномоделей – один из самых перспективных методов.

В этом случае предполагается применение неразъёмных форм. Из них модель не извлекают. Теплота расплавляемого металла и обеспечивает газификацию. Масса итоговых отливок – от 0,2 килограмм до нескольких тонн.

Малой плотностью отличается сам пенополистирол, который применяют в изготовлении деталей. Его разложение происходит при 300-350 градусах. В результате выделяются только пары стирола, обработка идёт даже обычной проволокой и ножами.

Для единичного производства берут пенопластовые модели, проходящие ручную обработку. Пилы, рубанки и станки становятся незаменимыми помощниками в этом процессе. Модели можно изготавливать по частям, чтобы потом соединять их в единое целое.

Вспенивание внутри форм из пластмасса или металла – метод, который применяют в случае с крупносерийным производством. Полистироловые гранулы загружают внутрь формы с полостью, которая напоминает модель по конфигурациям и размерам. Гранулы начинают вспениваться и расширяться при нагревании, спекаются друг с другом. Полость формы заполняется полностью. Модель извлекают из формы после окончания охлаждения.

Для формовки пенопластовых моделях в опоках используют обычные методы. Встряхивающие и вибрационные станки применяют для формовочных смесей.

Форму заливают сплавом, когда производство почти закончено. Модель проходит газификацию. Газы удаляются в выпоры. Отливка образуется на том месте, где раньше была модель.

Изготовление отливок на пенопластовой основе предполагает и другие методы. На завершающих этапах удаление модели предполагает применение таких технологий:

Растворение.
Прокаливание формы.
Электроплавка.
Продувка формы.

Пенопластовые модели легко заменят выплавляемые аналоги.

Изготовление литейной формы

Самые передовые технологии литья стали используют формы с газифицируемыми моделями. Особенность этой методики в том, что модель отливаемой детали изготавливается из мелкофракционного газонаполненного полистирола. Она обрабатывается антипригарным композитом, помещается в опоки и тщательно засыпается калиброванным песком.

При этом фракции песка изменяются, по отработанной методике. Сначала используются самые мелкие песчинки, они наиболее плотно обволакивают модель, затем калибр песка повышается.

Все операции выполняются на вибростоле, чтобы обеспечить 100% заполнение пустот.

В цехе отливки, опоки укрывают полиэтиленовой плёнкой и подключают вакуумный отсос. В разреженной атмосфере, песчинки слипаются, и отливочная форма приобретает технологическую плотность.

Полистирол полностью сгорает с разложением до мономера, при температуре 320˚C. Расплавленная сталь имеет температуру ≈ 1500˚C. Таким образом, жидкий металл замещает полистирол, формируя изделие, максимально совпадающее с формой модели.

Плавление металл и его очистка

Для организации малотоннажного литья стали, идеальными качествами обладает индукционная плавильная печь. В ней разогрев и плавление металла осуществляется токами Фуко. У индукционной печи следующие преимущества:

В электромагнитном поле, разогревается сам металл, а не корпус печи;
Нагрев происходит по всему объёму, что ускоряет плавку;
Имеется функциональная возможность осуществлять процесс в замкнутом пространстве, формируя любой состав газов над расплавом при любом давлении.
Отсутствует дым и вредные выбросы в атмосферу.

Вся суть изготовления стали, сводится к очищению железа от трёх элементов: серы, фосфора, углерода. При этом содержание именно углерода, в количестве от 0,02% до 2,14% отделяет сталь от чугуна, у которого содержание углерода превышает верхний порог.

Для удаления вредных примесей, могут применяться несколько методик, например продувка кислородом, или добавка шлакообразующих компонентов.

Существует строгая зависимость фазовых состояний сплава железа с углеродом, которая изменяется от температуры и химического состава жидкого металла. Скрупулёзное следование установок технологического регламента на основании этой закономерности, позволяет получить сталь с нужными характеристиками.