Литье металлов

ЛИТЬЕ МЕТАЛЛОВ

5.1. ЛИТЕЙНЫЕ  СПЛАВЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ 

ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ 

Литьем называется технологический  процесс получения готовых 

изделий или полуфабрикатов, заключающийся  в заполнении 

расплавленным металлом литейных форм, его остывании и извлечении из форм.

Металлургическое производство возникло на заре развития 

человеческого общества, но для литья  готовых изделий металл стали  использовать

значительно позднее: чугун в XIV веке, сталь в XVI-XVII веках [41].

Научные основы металлургии заложил  великий русский ученый М.В. 

Ломоносов в своем труде "Первые основания металлургии или рудных дел"

A763 г.) [42]. В XVIII веке наблюдается  бурный рост литейного  

производства как черных, так  и цветных металлов.

Металлы и сплавы, используемые для  изготовления отливок деталей

СП, должны:

обладать хорошими литейными свойствами (высокой жидкотеку-

честью, малыми усадкой, склонностью  к образованию трещин и 

поглощению газов и т.п.);

обеспечивать получение в отливке  определенных 

физико-механических свойств и возможность обработки режущими инструментами;

быть технологичными в условиях массового производства;

обладать стабильностью структуры  и свойств в течение всего  периода 

эксплуатации отливки.

Поскольку изделия, изготовляемые  методами литья, используются в

эсновном в качестве корпусных  деталей светильников, работающих в 

сложных атмосферных условиях (например, при освещении 

сельскохозяйственных помещений, шахт, промышленных предприятий), то 

требования к литейным сплавам  предъявляются весьма жесткие. Они

должны обладать высокой прочностью, коррозионной стойкостью и 

легко обрабатываться.

Литейные сплавы получают методом  вторичного переплава металлов

после первичной металлургической плавки. Так, литейный алюминий

получают главным образом электролизом глинозема [42],

Общепринятая классификация литейных сплавов приведена на

рис. 5.1. В светотехническом производстве преимущественное 

распространение получило литье деталей  из алюминиевых сплавов. Литье 

черных металлов используется редко, в основном для получения оснований

бытовых светильников (торшеров, настольных ламп), корпусных 

деталей специальных СП и др. Несколько  большее распространение 

получило литье сплавов на основе меди для деталей арматуры 

высокохудожественных бытовых  светильников.

Алюминиевые сплавы. Для получения  отливок в светотехническом

производстве в основном используются сплавы на основе системы 

алюминий—магний (АЛ-8) и алюминий—кремний (АЛ-2) и др. Химический

состав и свойства алюминиевых  сплавов приведены в табл. 5.1. [43].

Наибольшее распространение получили сплавы системы алюминий-

кремний (силумины), имеющие лучшие, чем другие сплавы, литейные

свойства. Наиболее вредной примесью для силуминов является железо.

Образуя хрупкие тройные (А1—Fe—Si) и более сложные фазы, 

кристаллизующиеся в виде пластин, железо существенно снижает пластические

свойства сплавов. Для нейтрализации  вредного влияния железа в сплав 

вводят марганец.

Сплавы системы алюминий—магний  отличаются низкой плотностью и 

высокими коррозионной стойкостью и прочностью. Они используются

для деталей специальных светильников, испытывающих большие вибра-

 

ционные нагрузки или подвергающиеся воздействию морской воды. 

Изготовление отливок из этих сплавов  вызывает определенные 

технологические трудности из-за их пониженной жидкотекучести.

Сплавы на основе системы алюминий-медь (АЛ-19) обладают низкой

коррозионной стойкостью и недостаточной  пластичностью, но они 

хорошо обрабатываются резанием. Детали из таких сплавов применяются 

для корпусных деталей промышленных светильников для нормальных

условий, среды. Механические и эксплуатационные свойства этих 

сплавов улучшают присадки марганца и титана. Значительно реже применяют 

другие сплавы, например на основе системы алюминий-медь-кремний,

или сложнолегированные системы.

При проектировании технологических  процессов литья алюминиевых 

сплавов следует учитывать, что  они склонны к газопоглощению. 

Особенно энергично в них  растворяется водород, что приводит к получению 

отливок с газовой пористостью и раковинами. Наиболее эффективным

способом предохранения расплава от окисления и поглощения водорода

является плавка под флюсом. В  качестве пркровного флюса обычно 

используется смесь хлоридов натрия и калия D5% NaCl и 55% КС1),

криолит (Na3AlF6), карналлит (MgCl2 «KCl) с добавками хлористого

бария (ВаС12) или фтористый кальций (CaF6) [43],

Помимо этого следует иметь  в виду, что технологические свойства

литейных алюминиевых сплавов  зависят от их химического состава,

что необходимо учитывать при назначении марки сплава для 

изготовления конкретных деталей. Технологические особенности некоторых 

литейных алюминиевых сплавов  приведены в [3].

Черные металлы. При изготовлении некоторых деталей СП, например

оснований торшеров, используется литье  черных металлов. Наиболее

распространенным материалом для  этих целей является чугун, 

обладающий хорошими технологическими свойствами и относительной 

дешевизной по сравнению с другими  литейными сплавами. Чугун — это 

многокомпонентный сплав железа с  углеродом и другими элементами, 

который по химическому составу  классифицируют на простой и 

легированный. Простые чугуны содержат углерода 2,4-3,6 %, кремния 0,5-

3,0 %, марганца - 0,2-1,0 %, серы 0,02-0,20 % и  фосфора 0,04-0,8 %.

Легированные чугуны содержат несколько большее количество кремния

и марганца и различное количество специальных элементов (Al, Ti,

Ni и т.д.).

Для изготовления некоторых корпусных  деталей специальных СП

используется стальное литье. Сталь - это железоуглеродистый сплав,

содержащий до 2 % углерода. Наряду с углеродом в стали присутствует

значительное количество других элементов (Mn, S, Si и т.д.), 

попадающих в нее из шихты  или вводимых в процессе ее производства для 

создания специальных свойств. По структуре стали делят на углеродистые

и легированные. Наибольшее распространение  получили отливки из

среднеуглеродистой стали (углерод 0,25-0,35 %).

Механические свойства некоторых  марок сталей ц чугунов для  литья 

приведены в [43].

Медные сплавы. При изготовлении деталей специальных СП, а 

также декоративных элементов высокохудожественных бытовых 

светильников (люстр, бра и др.) используют медные сплавы — бронзы и латуни.

Медные сплавы имеют сравнительно высокие механические свойства,

хорошо противостоят коррозионному  воздействию агрессивных сред,

например морской воды, легко  обрабатываются резанием.

Бронзы подразделяются на оловянные  и безоловянные. Оловянные 

бронзы имеют хорошие литейные свойства, позволяющие получать 

сложные по конфигурации отливки, однако они весьма дороги и

применяются крайне ограниченно. Безоловянные бронзы по механическим, 

коррозионным и другим свойствам  превосходят оловянные, однако 

технологические их свойства хуже.

Латуни применяются в основном для фасонного литья. Они обладают

высокой коррозионной стойкостью и лучшими, чем бронзы, литейными

свойствами.

Механические свойства некоторых  марок бронз и латуней приведены 

в [43].

Классификация процессов литья. Все  виды литья по 

технологическому принципу могут  быть разделены на два метода: литье в разовые

(например, песчано-глинистые) и  постоянные (например, кокиль)

формы.

В светотехническом производстве литье  в песчано-глинистые формы 

применяется ограниченно. Наибольшее распространение получили спе-

49

циальные способы литья: литье  под давлением, литье по выплавляемым

моделям, литье в оболочковые  формы и др.

Литье в разовые формы (в землю, в оболочковые формы, по 

выплавляемым моделям) применяется  в мелкосерийном производстве в 

основном при изготовлении высокохудожественных арматур бытовых

светильников из бронзы, латуни, алюминия и других металлов, а также 

некоторых видов специальных СП (аэродромные, морские и т.п.).

Литье в постоянные формы (в кокиль, под давлением) применяется 

в крупносерийном и массовом производствах  в основном при 

изготовлении корпусных деталей  промышленных, уличных и специальных 

светильников, а также прожекторов  разных типов, преимущественно из

алюминиевых сплавов.

Последние годы характеризуются расширением  производства точного 

литья, в частности, при производстве прожекторной техники дня 

наружного освещения спортивных и  архитектурных объектов, рудничного

взрывозащищенного электрооборудования, специальных 

светильников и др.

5.2. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ  ПРОИЗВОДСТВО 

К металлургическим процессам в  светотехническом производстве 

относят процессы приготовления расплавленного металла перед его 

заливкой в формы при литье.

Приготовление сплавов. Технологический  процесс приготовления 

сплавов складывается из приготовления  шихты, ее расплавления, 

очищения (рафинирования) расплава и подачи расплава в раздаточные

печи или ковши.

Шихтой называется смесь основных и вспомогательных материалов,

загружаемых в плавильную печь для  получения сплава определенного 

химического состава. Большинство  компонентов, входящих в состав

сплава, вводят в расплав не в  виде чистых металлов, а предварительно

сплавленными (так называемые лигатуры). Применение лигатур 

позволяет при введении тугоплавких  компонентов, например.меди, не 

перегревать сплав, а также способствует равномерному распределению и 

лучшей растворимости компонентов  в сплаве. Легкоплавкие металлы, 

например магний, вводят непосредственно  в расплав.

Малая плотность алюминиевых сплавов  способствует образованию 

газовых раковин и пористости, так  как газы легко проникают в 

металлическую среду и насыщают ее. Алюминий легко окисляется. Очищать 

расплав от шлака и оксидов трудно, и, оставаясь во взвешенном 

состоянии в расплаве, они в значительной степени влияют на качество

расплава.

При приготовлении алюминиевых сплавов особенно важное значение

имеют чистота исходных материалов и точность состава шихты. Нередко 

ничтожные количества вредных примесей значительно ухудшают 

механические свойства сплавов. Поэтому  при переплавке отходов 

производства необходимо очищать расплав от примесей и производить 

химический анализ.

Плавку и заливку алюминия производят при строгом соблюдении

температурного режима и постоянном и точном контроле нагрева 

сплава. Даже незначительное превышение температуры и излишнее 

выдерживание расплава при высокой температуре ведут к чрезмерному 

насыщению его газами и оксидами и Появлению усадочных раковин. Для 

удаления окислов и шлаков применяют  флюсы, действующие как 

химически, так и механически.

При составлении технологического процесса приготовления 

алюминиевого сплава следует придерживаться такого порядка; расплавление

до двух третей чушкового алюминия; присадка и расплавление 

лигатуры; присадка оставшегося чушкового  алюминия; присадка отходов и 

обрубленных литников; очистка расплава от оксидов путем добавки

флюсов и хорошего перемешивания  расплава; снятие шлака и оксидов 

(не следует снимать шлак во  время плавки, так как поверхностная 

пленка оксидов защищает расплав  от дальнейшего окисления); 

выдерживание расплава перед заливкой до требуемой температуры.

В качестве примера рассмотрим процесс  приготовления сплава АЛ-2:

1) составление шихты (чушковый  алюминий и кремний 10-13%);

2) расплавление чушкового алюминия  и нагрев расплава до 

температуры 850 °С;

3) добавление небольшими порциями кремния, завернутого в 

алюминиевую фольгу, с тем чтобы  кремний не покрылся оксидом 

алюминия;

4) рафинирование расплава инертным  газом (хлор, азот и т.п.).

Плавка медных сплавов. Для плавки латуни применяют медь 

марки МЗ, цинк чушковый марки Ц1, свинец чушковый марки СЗ, 

вторичную латунь, литники и брак производства. Шихта должна быть 

рассчитана и взвешена согласно химическому анализу исходных материалов и 

марки латуни. Применение загрязненной шихты не допускается.

Перед загрузкой шихты печь подогревают до 700 °С и засыпают 

древесный уголь. В первую очередь  загружают медь. Ее поверхность также 

покрывают тонким слоем древесного угля. Медь по мере расплавления

перемешивают. Затем с поверхности  снимают шлак и порциями вводят

подогретый цинк, после чего вводят свинец и при температуре 1050— 

1100 °С снимают шлак. Затем расплав  перемешивают и после взятия 

пробы на химический анализ разливают.

Плавильные и раздаточно-подогревательные печи. Такое разделение

печей для расплавления металла связано с технологическими 

особенностями их применения. В плавильных печах производится собственно

плавка сплавов. Эти печи, как  правило, являются стационарными. 

Выпуск металла из них осуществляется через отверстие в донной части

или путем отбора определенных порций ковшом небольшой емкости.

В раздаточно-подогревательной печи происходит подогрев предваритель -

но расплавленного металла, откуда его черпают разливочным ковшом и 

заливают в формы или камеры прессования литьевых машин. Такие

печи делаются подвижными либо, как, например, в литьевых машинах 

с горячей камерой прессования, монтируются в корпусе машины.

Плавильные печи по типу источника  нагрева делятся на 

отражательные, электрические, индукционные и газопламенные, а по 

конструктивным признакам —  на тигельные и камерные. Топливом для печей служат

газ, мазут, кокс, кроме fого, применяется  электроэнергия. Плавильные

печи должны обеспечивать: расплавление определенного количества 

металла, минимальное время плавки, минимальный расход топлива, 

минимальный угар металла, максимальное удобство обслуживания.

В тигельных печах плавка металла  производится внутри литого тигля,

изготовленного из жаропрочного чугуна или графита, где расплав не 

соприкасается с продуктами горения. Такие печи (рис. 5.2) работают на 

мазуте, газе или электроэнергии.

Преимуществом печей с графитовыми  тиглями является легкий 

переход с плавки одного металла  на плавку другого. Но из-за высокой 

стоимости и недолговечности тиглей их применение ограничено. Более

стойки чугунные тигли, но они имеют  существенный недостаток — 

способствуют обогащению алюминиевых  сплавов железом. Поэтому перед 

плавкой алюминия их смазывают специальным  жаростойким 

покрытием на оснве графита.

В газопламенных печах (рис. 5.2,д) источник тепла расположен с

внешней стороны тигля, поэтому  качество расплавленного металла 

мало зависит от применяемого источника  тепла, так как поверхность 

металла не соприкасается с продуктами горения. Выбор того или иного  ти -

па печи зависит от специфики производства и наличия на предприятии

определенного вида топлива.

В цехах с небольшим объемом  производства целесообразнее 

применять газопламенные тигельные  печи и электрические печи 

сопротивления, в цехах со значительным объемом производства литья — 

электрические индукционные печи емкостью 1,5—2,5 т.

Электрические печи сопротивления (рис. 5.2,6) по сравнению с 

газоплазменными имеют ряд преимуществ: лучшие санитарно-гигиенические 

условия труда; более высокий КПД (до 0,8); более высокое качество

расплава; меньший угар металла; возможность  ведения плавки в 

вакууме или в среде защитного  газа; возможность обеспечения легкой 

регулировки температуры; простота конструкции. Емкость таких печей 

обычно 0,5—2 т. Наиболее совершенными являются однотигельные печи

типа CAT.

Индукционные печи (рис. 5.2,в) являются наиболее совершенными.

Качество сплава, получаемого в  индукционных печах, зависит от 

температуры плавки, степени газонасыщения  и окисления расплава. Металл,

выплавляемый в индукционных печах, отличается высокой 

однородностью и чистотой. Преимущества таких печей — незначительный vrap

металла (менее 1%), высокая производительность, достигающая 

400 кг/ч, и максимальный КПД  (до 0,86).

Индуктор тигельной печи представляет собой многовитковую медную

трубку, через которую для охлаждения пропускают воду. Рабочая 

частота тока индуктора зависит  от емкости тигля, она тем выше, чем меньше

емкость печи. Благодаря вихревым токам, возникающим в 

расплавляемом металле, происходит его интенсивное движение в тигле, что 

улучшает теплопередачу и способствует получению однородного состава 

расплава.

Основные технические данные тигельных  плавильных печей, 

применяемых в светотехническом производстве, приведены в табл. 5.2.

В камерных печах плавка металла производится внутри замкнутой

емкости печи, которая выложена огнеупорным  материалом — так 

называемая футеровка (рис. 5.3) . Емкость  и производительность камерных

печей в большинстве случаев  значительно выше тигельных.

В отражательных газопламенных печах (рис. 5.3,я) сплав, 

соприкасаясь с продуктами горения, нагревается только сверху, поэтому, чтобы 

прогреть всю его толщу, ванну  печи делают неглубокой, но с большой 

поверхностью. Этим объясняется повышенный угар металла в таких печах.

Таким способом хорошо плавятся алюминиевые  и медные сплавы, 

однако расплав из-за соприкосновения  с продуктами горения получается

загрязненным. Возможны местные превышения температуры, так как 

перемешивать расплав в этих печах трудно. Существенным недостатком

отражательных газопламенных печей  является также неполное сгорание

топлива и значительная потеря тепла  с отходящими газами. Плавку, как 

правило, ведут под флюсом и применяют  рафинирование сплава, что 

позволяет получать сплавы хорошего качества. В качестве топлива 

используется мазут, реже газ.

Дуговые электрические печи (рис. 5.3,6) в основном 

применяются для расплава медных сплавов. Подогрев металла осуществляется

электрической дугой, образующейся между  двумя электродами.

Существенным недостатком таких  печей является неизбежность местного 

превышения температуры сплава из-за сконцентрированного источника 

тепла. В целях ликвидации превышения температуры во время плавки 

производят покачивание расплайа, что способствует перемешиванию и

выравниванию его состава. Емкость  таких печей незначительна, ОД5—1 т.

Наиболее распространены печи типа ДМБ, обеспечивающие незначитель-

1 ый угар металла (например, латуни 3—6 %).

Канальные индукционные печи (рис. 5.3,в) применяются в основном

для плавки алюминия. Отличительной  особенностью этих печей 

является наличие канала, заполненного металлом. Этот канал служит 

вторичным коротко замкнутым витком трансформатора, и в нем индуцируется

электрический ток большой силы. Благодаря теплу, выделяющемуся

в результате взаимодействия тока с  металлом, сплав разогревается.

Футеровка таких печей состоит  из основной емкости (шахты) и канала

(подовый камень). Недостатками  канальных индукционных печей  

являются сложность их переналадки  при переходе на плавку другой марки

сплава и высокая трудоемкость футеровки печей при ремонтных  работах.

Наибольшее распространение в  светотехническом производстве нашли

канальные индукционные печи типа ИАК. Форма шахты таких печей 

обеспечивает при плавке минимальный угар и исключает возможность

местного превышения температуры  сплава.

Основные технические данные камерных плавильных печей, 

применяемых в светотехническом производстве, приведены в табл. 5.3 [3].

Основные технические данные раздаточно-подогревательных печей

приведены в табл. 5.4 [44].

5.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  ЛИТЬЯ 

В светотехническом производстве наибольшее распространение нашли 

процессы литья в разовые  и постоянные формы. Выбор toro или  иного 

способа литья определяется техническими возможностями предприятия,

масштабами производства отливок, требованиями к готовым изделиям

или полуфабрикатам. Рассмотрим наиболее распространенные способы 

литья.

Литье в разовые формы. В светотехническом производстве 

наибольшее распространение получили литье в землю, в оболочковые формы и

по выплавляемым моделям.

Литье в землю. Применяется ограниченно  при изготовлении деталей 

специального технологического оборудования во вспомогательном 

производстве и при изготовлении корпусных деталей специальных 

светильников из стали или других сплавов. Для осуществления процесса литья 

изготовляют разовую форму, которую  после заполнения ее металлом

разрушают. Формы обычно делают из специальных формовочных 

смесей в опоках с помощью  моделей. Модель — это приспособление для 

получения в форме отпечатка, соответствующего конфигурации и 

размерам отливки. Модель после  уплотнения формовочной смеси извлекают 

из формы.

Формовочная смесь составляется из песка, глины и вспомогательных 

связующих добавок: противопригарных, уменьшающих прилипаемость

смесей, увеличивающих газопроницаемость  и др. Правильный выбор 

формовочных смесей в литейном производстве имеет очень большое 

значение, так как формовочные  смеси влияют на качество получаемых

отливок. Известно, что около половины брака литья возникает по вине

формовочных материалов. Подробные  сведения о составах и способах

приготовления формовочных смесей приводятся в специальной 

литературе [43]. В табл. 5,5 приведены  составы некоторых песчано-глинистых 

формовочных смесей, применяемых в светотехническом производстве.

Уплотнение формовочной смеси, так называемая формовка, 

осуществляется, как правило, вручную. Иногда применяют пневматические

или другие механические трамбовки.

Длительность охлаждения отливок в форме определяется 

теплосодержанием металла, толщиной стенок отливки, теплофизическими свой-

ствами формовочных материалов и склонностью сплава к образованию 

трещин. Для небольших отливок  это время исчисляется минутами.

Средняя скорость охлаждения отливок в формах колеблется от 2 до

150 °С/мин. Обычно отливки извлекают  из формы при их температуре: 

чугун - при 700-800 °С, бронзу - при 300-500 °С, алюминий - при 

200-300 °С.

После выбивки стержней и деталей  из опоки производится обрубка»

литников и зачистка облоя, для чего используются прессы, 

металлорежущее оборудование либо галтовочные барабаны.

Контроль качества отливок осуществляют визуально, а для 

ответственных деталей - с применением  радиографической (рентгеноскопия

и другие методы) или ультразвуковой дефектоскопии, позволяющей

выявить наличие в детали раковин, пустот и прочих скрытых дефектов,

а также их размеры и глубину  залегания.

Литье в оболочковые формы. Применяется  в незначительных объемах 

при производстве корпусных деталей взрывозащищенного 

электрооборудования, а также светильников специального назначения. Форма, 

применяемая при этом способе литья, представляет собой прочную тонкую

оболочку F-10 мм) с гладкой рабочей  поверхностью и точными 

размерами полости.

Формовочная смесь представляет смесь мелкозернистого песка и 

синтетической термореактивной смолы C—7 %), являющейся связующим.

Такие смеси называются песчано-смоляными. Смолы размягчаются при 

температуре 70—120 °С, хорошо растворяются в спирте и ацетоне. При

нагреве до 200—250 °С термореактивные  смолы необратимо твердеют,

прочность их резко повышается и  сохраняется после охлаждения. На

этих свойствах термореактивных  смол и основаны способы получения 

оболочковых форм.

Таких способа два — холодный и горячий. При первом способе смолу

растворяют в техническом спирте или ацетоне и затем перемешивают с 

песком. После испарения растворителя смесь затвердевает. При втором

способе песок нагревают до 100— 120 °С и вводят в него пылевидную

смолу, которая, нагреваясь, обволакивает песчинки и склеивает их 

между собой.

Для изготовления оболочковых форм модельную плиту нагревают до

200—250 °С и на ее рабочую  поверхность пульверизатором или  кистью 

наносят тонкую пленку силиконовой  жидкости, предотвращающей 

прилипание смеси к модели. Затем сверху модели насыпается песчано-смо-

ляная смесь. Под воздействием тепла  слой смеси 6—10 мм, прилегающий 

к разогретой плите и модели, прогревается за 15—25 с до температуры 

расплавления смолы. В этом слое зерна смеси оказываются склеенными

смолой. Остальную сыпучую часть  смеси удаляют, переворачивая 

модельную плиту на 180°. Оставшуюся полутвердую оболочку вместе с 

модельной плитой помещают в печь, где она необратимо затвердевает при 

нагревании ее в течение 50—60 с  при 300—350 С. Таким же образом изготов-

ляют вторую оболочковую полуформу, а также стержни, применяемые 

для получения полостей в отливке (рис. 5.4).

Оболочковую форму 4 собирают, склеивая половинки быстротвер-

деющим термореактивным клеем. В охлажденную полуформу 

предварительно вставляют стержень 5, затем на края ее наносят клей и 

накладывают вторую горячую A20—150 °С) полуформу, прижимая ее к 

первой специальным приспособлением, и выдерживают 10 с для отвердения

клея. Для более точного спаривания полуформ в одной из них 

предусматривают выступы, а во второй — углубления. Готовая форма, а  также 

литник 2 устанавливают в металлическую  коробку — опоку 1 и 

засыпают песком или чугунной дробью 5. После заливки металла и

остывания формы извлекают отливку. Оболочки обладают достаточной 

прочностью и жесткостью в период заливки и затвердения сплава. Вместе с 

тем по мере прогрева теплом отливки  оболочка разрушается — 

прочность ее падает и она превращается в песок, что способствует свободной

усадке отливок. Это дает возможность  отливать сложные тонкостенные

крупногабаритные отливки, например ребристые корпусные детали

прожекторов большой мощности.

Литье по выплавляемым моделям. Применяется  при изготовлении

сложных высокохудожественных арматур  бытовых светильников из