В металлообработке и ювелирном деле литье — это процесс, при котором жидкий металл подается в форму (обычно с помощью тигля ), которая содержит негативный оттиск (т. е. трехмерное негативное изображение) предполагаемой формы. Металл заливается в форму через полый канал, называемый литником . Затем металл и форма охлаждаются, и металлическая часть ( отливка ) извлекается. Литье чаще всего используется для изготовления сложных форм, которые было бы трудно или неэкономично изготовить другими методами. [1]
Процессы литья известны уже тысячи лет и широко используются для скульптуры (особенно из бронзы ), ювелирных изделий из драгоценных металлов , а также оружия и инструментов. Высокотехнологичные отливки используются в 90 процентах товаров длительного пользования, включая автомобили, грузовики, аэрокосмическую технику, поезда, горнодобывающее и строительное оборудование, нефтяные скважины, приборы, трубы, гидранты, ветряные турбины, атомные электростанции , медицинские приборы, оборонную продукцию, игрушки и многое другое. [2]
Традиционные методы включают литье по выплавляемым моделям (которое можно разделить на центробежное литье и литье с использованием вакуума ), литье в гипсовые формы и литье в песчаные формы .
Современный процесс литья подразделяется на две основные категории: литье одноразового и многоразового использования. Далее он подразделяется по материалу формы, например, песок или металл, и методу заливки, например, гравитация, вакуум или низкое давление. [3]
Литье в одноразовые формы — это общая классификация, которая включает литье в песок, пластик, оболочку, гипс и литье по выплавляемым моделям (техника выплавляемых восковых моделей). Этот метод литья в формы подразумевает использование временных, одноразовых форм.
Литье в песчаные формы является одним из самых популярных и простых видов литья, и используется уже много веков. Литье в песчаные формы позволяет производить меньшие партии, чем литье в постоянные формы, и по очень разумной цене. Этот метод не только позволяет производителям создавать продукцию с низкой стоимостью, но и имеет другие преимущества литья в песчаные формы, такие как очень малые размеры операций. Этот процесс позволяет получать отливки от достаточно малых размеров, помещающихся на ладони, до тех, которые достаточно велики для основания вагона поезда (одна отливка может создать все основание для одного железнодорожного вагона). Литье в песчаные формы также позволяет отливать большинство металлов в зависимости от типа песка, используемого для форм. [4]
Литье в песчаные формы требует времени выполнения в несколько дней, а иногда и недель, для производства с высокой производительностью (1–20 деталей/час-форма) и является непревзойденным для производства крупных деталей. Зеленый (влажный) песок, который имеет черный цвет, почти не имеет ограничения по весу детали, тогда как сухой песок имеет практический предел массы детали 2300–2700 кг (5100–6000 фунтов). Минимальный вес детали колеблется от 0,075 до 0,1 кг (0,17–0,22 фунта). Песок связывается с помощью глин, химических связующих веществ или полимеризованных масел (например, моторного масла). Песок можно перерабатывать много раз в большинстве операций, и он требует незначительного обслуживания.
Формовка из глины использовалась для производства крупных симметричных объектов, таких как пушки и церковные колокола. Глина представляет собой смесь глины и песка с соломой или навозом. Модель полученного изделия формируется в рыхлом материале (рубашке). Форма формируется вокруг этой рубашки путем покрытия ее глиной. Затем ее обжигают, и рубашку удаляют. Затем форму ставят вертикально в яму перед печью для заливки расплавленного металла. После этого форму разламывают. Таким образом, формы можно использовать только один раз, поэтому для большинства целей предпочтительны другие методы.
Гипсовое литье похоже на литье в песчаные формы, за исключением того, что вместо песка в качестве материала для форм используется гипс . Обычно на подготовку формы уходит меньше недели, после чего достигается производительность 1–10 единиц/час-форма, с изделиями весом от 45 кг (99 фунтов) до 30 г (1 унция) с очень хорошей отделкой поверхности и жесткими допусками . [5] Гипсовое литье является недорогой альтернативой другим процессам формования сложных деталей из-за низкой стоимости гипса и его способности производить отливки , близкие к чистой форме . Самым большим недостатком является то, что его можно использовать только с цветными металлами с низкой температурой плавления, такими как алюминий , медь , магний и цинк . [6]
Формование оболочек похоже на литье в песчаные формы, но полость формы образована закаленной «оболочкой» из песка вместо опоки, заполненной песком. Используемый песок мельче песка для литья в песчаные формы и смешивается со смолой, чтобы его можно было нагреть с помощью модели и затвердеть в оболочку вокруг модели. Благодаря смоле и более мелкому песку, он дает гораздо более тонкую отделку поверхности. Процесс легко автоматизируется и более точен, чем литье в песчаные формы. Обычные металлы, которые отливаются, включают чугун , алюминий, магний и медные сплавы. Этот процесс идеально подходит для сложных изделий небольшого и среднего размера.
Литье по выплавляемым моделям (в искусстве известное как литье по выплавляемым моделям ) — это процесс, который практикуется уже тысячи лет, причем процесс литья по выплавляемым моделям является одним из старейших известных методов формовки металлов. Начиная с 5000 лет назад, когда пчелиный воск создавал форму, и до сегодняшних высокотехнологичных восков, огнеупорных материалов и специальных сплавов, литье обеспечивает производство высококачественных компонентов с ключевыми преимуществами точности, повторяемости, универсальности и целостности.
Литье по выплавляемым моделям получило свое название от того факта, что модель инвестируется или окружается огнеупорным материалом. Восковые модели требуют особой осторожности, поскольку они недостаточно прочны, чтобы выдерживать силы, возникающие во время изготовления формы. Одним из преимуществ литья по выплавляемым моделям является то, что воск можно использовать повторно. [5]
Процесс подходит для повторяемого производства компонентов чистой формы из различных металлов и сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками. Хотя обычно он используется для небольших отливок, этот процесс использовался для производства полных рам дверей самолетов со стальными отливками весом до 300 кг и алюминиевыми отливками весом до 30 кг. По сравнению с другими процессами литья, такими как литье под давлением или литье в песчаные формы , это может быть дорогостоящим процессом. Однако компоненты, которые могут быть изготовлены с помощью литья по выплавляемым моделям, могут включать сложные контуры, и в большинстве случаев компоненты отливаются вблизи чистой формы, поэтому требуют незначительной или нулевой доработки после литья.
Прочный гипсовый промежуточный материал часто используется в качестве этапа к производству бронзовой скульптуры или в качестве указателя для создания резного камня. После завершения работы с гипсом работа становится более прочной (если хранится в помещении), чем глиняный оригинал, который должен быть влажным, чтобы избежать растрескивания. При наличии дешевого гипса дорогостоящая работа по литью из бронзы или резьбе по камню может быть отложена до тех пор, пока не найдется заказчик, и поскольку такая работа считается техническим, а не художественным процессом, она может быть даже отложена за пределы жизни художника.
При формовании отходов простая и тонкая гипсовая форма, укрепленная сизалем или мешковиной, отливается поверх исходной глиняной смеси. После застывания ее вынимают из влажной глины, попутно уничтожая мелкие детали в поднутрениях, присутствующих в глине, но которые теперь запечатлены в форме. Затем форма может быть в любое время позже (но только один раз) использована для отливки гипсового позитивного изображения, идентичного исходной глине. Поверхность этого гипса может быть дополнительно очищена и может быть окрашена и натерта воском, чтобы напоминать готовую бронзовую отливку.
Это класс литейных процессов, в которых используются модельные материалы, испаряющиеся во время заливки, что означает, что нет необходимости удалять модельный материал из формы перед литьем. Два основных процесса — литье по выплавляемым моделям и литье в полноформенную форму.
Литье по выплавляемым моделям — это тип процесса литья по выплавляемым моделям, который похож на литье по выплавляемым моделям, за исключением того, что вместо воска для модели используется пена. Этот процесс использует низкую температуру кипения пены, чтобы упростить процесс литья по выплавляемым моделям, устраняя необходимость выплавлять воск из формы.
Литье в полную форму — это процесс литья по испарительной модели, который представляет собой комбинацию литья в песчаные формы и литья по выплавляемым моделям . Он использует модель из вспененного полистирола , которая затем окружается песком, как при литье в песчаные формы. Затем металл заливается непосредственно в форму, которая испаряет пену при контакте.
Литье в одноразовые формы отличается от процессов с одноразовыми формами тем, что форму не нужно переделывать после каждого производственного цикла. Эта технология включает в себя по крайней мере четыре различных метода: постоянное, штамповое, центробежное и непрерывное литье. Эта форма литья также приводит к улучшению повторяемости производимых деталей и обеспечивает результаты, близкие к чистым формам .
Литье в постоянные формы — это процесс литья металла, в котором используются формы многократного использования («постоянные формы»), обычно изготавливаемые из металла . Наиболее распространенный процесс использует гравитацию для заполнения формы. Однако также используются давление газа или вакуум . Разновидность типичного процесса литья под действием силы тяжести, называемая литьем всплеском , производит полые отливки. Распространенными металлами для литья являются алюминиевые , магниевые и медные сплавы. Другие материалы включают оловянные , цинковые и свинцовые сплавы, а также железо и сталь, которые также отливаются в графитовых формах. Постоянные формы, хотя и служат более одной отливки, все равно имеют ограниченный срок службы до износа.
Процесс литья под давлением заставляет расплавленный металл под высоким давлением вдавливаться в полости пресс-формы (которые затем обрабатываются в штампы). Большинство отливок изготавливаются из цветных металлов , в частности, из цинка , меди и сплавов на основе алюминия, но возможно литье под давлением черных металлов . Метод литья под давлением особенно подходит для применений, где требуется много деталей малого и среднего размера с хорошей детализацией, высоким качеством поверхности и размерной однородностью.
Литье полутвердого металла (SSM) — это модифицированный процесс литья под давлением, который уменьшает или устраняет остаточную пористость, присутствующую в большинстве отливок. Вместо использования жидкого металла в качестве исходного материала, литье SSM использует исходный материал с более высокой вязкостью, который является частично твердым и частично жидким. Модифицированная машина для литья под давлением используется для впрыскивания полутвердой суспензии в повторно используемые закаленные стальные формы. Высокая вязкость полутвердого металла, наряду с использованием контролируемых условий заполнения формы, гарантирует, что полутвердый металл заполняет форму нетурбулентным образом, так что вредная пористость может быть по существу устранена.
Используемые в коммерческих целях в основном для алюминиевых и магниевых сплавов, отливки SSM могут быть подвергнуты термической обработке до состояний T4, T5 или T6. Сочетание термической обработки, высоких скоростей охлаждения (благодаря использованию стальных штампов без покрытия) и минимальной пористости обеспечивает превосходное сочетание прочности и пластичности. Другие преимущества литья SSM включают возможность производства деталей сложной формы, герметичность, жесткие допуски размеров и возможность отливки тонких стенок. [7]
В этом процессе расплавленный металл заливается в форму и затвердевает, пока форма вращается. Металл заливается в центр формы на ее оси вращения. Из-за инерционной силы жидкий металл выбрасывается к периферии.
Центробежное литье не зависит ни от силы тяжести, ни от давления, поскольку оно создает собственную силовую подачу с помощью временной песчаной формы, удерживаемой в прядильной камере. Время выполнения заказа зависит от области применения. Полу- и истинно-центробежная обработка позволяет производить 30–50 деталей/час-форму, с практическим пределом для обработки партии приблизительно 9000 кг общей массы с типичным пределом на единицу 2,3–4,5 кг.
В промышленном отношении центробежное литье [8] железнодорожных колес было одним из первых применений метода, разработанного немецкой промышленной компанией Krupp , и эта возможность способствовала быстрому росту предприятия.
Небольшие предметы искусства, такие как ювелирные изделия, часто отливаются этим методом с использованием процесса выплавляемого воска, поскольку силы позволяют довольно вязким жидким металлам течь через очень узкие проходы и входить в мелкие детали, такие как листья и лепестки. Этот эффект похож на преимущества вакуумного литья, также применяемого к литью ювелирных изделий.
Непрерывное литье — это усовершенствование процесса литья для непрерывного, крупносерийного производства металлических профилей с постоянным поперечным сечением. В основном оно используется для производства полуфабрикатов для дальнейшей обработки. [9] : 339 Расплавленный металл заливается в открытую водоохлаждаемую форму, которая позволяет сформировать «кожицу» твердого металла над все еще жидким центром, постепенно затвердевая снаружи внутрь. После затвердевания нить, как ее иногда называют, непрерывно извлекается из формы. Заданные длины нити могут быть отрезаны либо механическими ножницами, либо движущимися кислородно-ацетиленовыми горелками и переданы на дальнейшие процессы формования или в штабель. Размеры отливок могут варьироваться от полосы (толщиной несколько миллиметров и шириной около пяти метров) до заготовок (площадью от 90 до 160 мм) и слябов (шириной 1,25 м и толщиной 230 мм). Иногда нить может пройти начальный процесс горячей прокатки перед резкой.
Непрерывное литье используется из-за более низких затрат, связанных с непрерывным производством стандартного продукта, а также из-за более высокого качества конечного продукта. Такие металлы, как сталь, медь, алюминий и свинец, непрерывно отливаются, причем сталь является металлом с наибольшим тоннажем, отлитым с использованием этого метода.
Upcasting (литье вверх, вверх по течению или снизу вверх) — метод вертикального или горизонтального непрерывного литья прутков и труб различных профилей (цилиндрических, квадратных, шестигранных, пластин и т. д.) диаметром 8-30 мм. [10] Медь (Cu), бронза ( сплав Cu· Sn ), никелевые сплавы обычно используются из-за большей скорости литья (при вертикальном литье вверх) и из-за лучших получаемых физических свойств. Преимущество этого метода в том, что металлы практически не содержат кислорода, а скорость кристаллизации (затвердевания) продукта можно регулировать в кристаллизаторе — высокотемпературном устройстве, охлаждающем растущий металлический пруток или трубу с помощью воды. [10]
Метод сопоставим с методом Чохральского выращивания кристаллов кремния (Si), который является металлоидом .
В процессах литья металлов используется следующая терминология: [11]
Некоторые специализированные процессы, такие как литье под давлением, используют дополнительную терминологию.
Литье — это процесс затвердевания , то есть явление затвердевания контролирует большинство свойств отливки. Более того, большинство дефектов литья возникают во время затвердевания, такие как газовая пористость и усадка при затвердевании . [12]
Затвердевание происходит в два этапа: зародышеобразование и рост кристаллов . На стадии зародышеобразования твердые частицы образуются внутри жидкости. Когда эти частицы образуются, их внутренняя энергия ниже, чем у окружающей жидкости, что создает энергетический интерфейс между ними. Формирование поверхности на этом интерфейсе требует энергии, поэтому, когда происходит зародышеобразование, материал фактически переохлаждается (т. е. охлаждается ниже своей температуры затвердевания) из-за дополнительной энергии, необходимой для формирования поверхностей интерфейса. Затем он рекалесценсирует или нагревается обратно до своей температуры затвердевания для стадии роста кристаллов. Зародышеобразование происходит на уже существующей твердой поверхности, поскольку для частичной поверхности интерфейса требуется не так много энергии, как для полной сферической поверхности интерфейса. Это может быть выгодно, поскольку мелкозернистые отливки обладают лучшими свойствами, чем крупнозернистые отливки. Мелкозернистая структура может быть вызвана измельчением зерна или инокуляцией , что является процессом добавления примесей для индукции зародышеобразования. [13]
Все зародыши представляют собой кристалл, который растет по мере того, как тепло плавления извлекается из жидкости до тех пор, пока жидкость не исчезнет. Направление, скорость и тип роста можно контролировать, чтобы максимизировать свойства отливки. Направленная кристаллизация — это когда материал затвердевает на одном конце и продолжает затвердевать на другом конце; это самый идеальный тип роста зерна, поскольку он позволяет жидкому материалу компенсировать усадку. [13]
Кривые охлаждения важны для контроля качества отливки. Наиболее важной частью кривой охлаждения является скорость охлаждения , которая влияет на микроструктуру и свойства. Вообще говоря, область отливки, которая охлаждается быстро, будет иметь мелкозернистую структуру, а область, которая охлаждается медленно, будет иметь крупнозернистую структуру. Ниже приведен пример кривой охлаждения чистого металла или эвтектического сплава с определяющей терминологией. [14]
Обратите внимание, что до термического ареста материал является жидкостью, а после него материал становится твердым; во время термического ареста материал переходит из жидкого состояния в твердое. Также обратите внимание, что чем больше перегрев, тем больше времени у жидкого материала, чтобы растечься в сложные детали. [15]
Приведенная выше кривая охлаждения отображает базовую ситуацию с чистым металлом, однако большинство отливок изготавливаются из сплавов, кривая охлаждения которых имеет вид, показанный ниже.
Обратите внимание, что больше нет термического ареста, вместо этого есть область замерзания. Область замерзания напрямую соответствует ликвидусу и солидусу, найденным на фазовой диаграмме для конкретного сплава.
Время локального затвердевания можно рассчитать с помощью правила Чворинова:
Где t — время затвердевания, V — объем отливки, A — площадь поверхности отливки, которая контактирует с формой , n — константа, а B — константа формы. Это наиболее полезно для определения того, затвердеет ли стояк до отливки, потому что если стояк затвердеет первым, то он бесполезен. [16]
Система литников служит многим целям, наиболее важными из которых являются транспортировка жидкого материала в форму, а также контроль усадки, скорости жидкости, турбулентности и улавливание шлака . Литники обычно крепятся к самой толстой части отливки, чтобы помочь контролировать усадку. В особенно больших отливках может потребоваться несколько литников или питателей для введения металла в более чем одну точку в полости формы. Скорость материала важна, потому что если материал движется слишком медленно, он может остыть до полного заполнения, что приводит к ошибкам и холодным затворам. Если материал движется слишком быстро, то жидкий материал может разъесть форму и загрязнить конечную отливку. Форма и длина системы литников также могут контролировать, как быстро остывает материал; короткие круглые или квадратные каналы минимизируют потери тепла. [17]
Система литников может быть спроектирована так, чтобы минимизировать турбулентность, в зависимости от отливаемого материала. Например, сталь, чугун и большинство медных сплавов нечувствительны к турбулентности, но алюминиевые и магниевые сплавы чувствительны к турбулентности. Материалы, нечувствительные к турбулентности, обычно имеют короткую и открытую систему литников для максимально быстрого заполнения формы. Однако для материалов, чувствительных к турбулентности, короткие литники используются для минимизации расстояния, которое материал должен пройти при попадании в форму. Прямоугольные литьевые стаканы и конические литники используются для предотвращения образования вихря при подаче материала в форму; эти вихри имеют тенденцию засасывать газ и оксиды в форму. Большой литниковый колодец используется для рассеивания кинетической энергии жидкого материала, когда он падает по литнику, уменьшая турбулентность. Дроссель , который является наименьшей площадью поперечного сечения в литниковой системе, используемой для управления потоком, может быть размещен рядом с литниковым колодцем для замедления и сглаживания потока. Обратите внимание, что в некоторых формах заслонка все еще размещается на литниках, чтобы облегчить отделение детали, но это вызывает сильную турбулентность. [18] Литники обычно крепятся к нижней части отливки, чтобы минимизировать турбулентность и разбрызгивание. [17]
Система литников также может быть спроектирована для улавливания шлака. Один из методов заключается в использовании того факта, что некоторая часть шлака имеет более низкую плотность, чем основной материал, поэтому она всплывает наверх литниковой системы. Поэтому длинные плоские желоба с литниками, которые выходят из нижней части желобов, могут улавливать шлак в желобах; обратите внимание, что длинные плоские желоба будут охлаждать материал быстрее, чем круглые или квадратные желоба. Для материалов, где шлак имеет плотность, близкую к плотности основного материала, таких как алюминий, могут быть выгодны расширения желобов и колодцы для желобов . Они используют тот факт, что шлак обычно находится в начале заливки, поэтому желоб удлиняется за пределы последнего литника(ов), и загрязняющие вещества содержатся в колодцах. Для улавливания загрязняющих веществ также могут использоваться сетки или фильтры. [18]
Важно, чтобы размер литниковой системы был небольшим, поскольку ее всю придется вырезать из отливки и переплавлять для повторного использования. Эффективность, илиВыход , литейной системы можно рассчитать, разделив вес отливки на вес залитого металла. Поэтому, чем выше число, тем эффективнее литниковая система/стояки.[19]
Существует три типа усадки: усадка жидкости , усадка затвердевания и усадка модельера . Усадка жидкости редко является проблемой, поскольку за ней в форму поступает больше материала. Усадка затвердевания происходит из-за того, что металлы в жидком состоянии менее плотные, чем в твердом, поэтому во время затвердевания плотность металла резко увеличивается. Усадка модельера относится к усадке, которая происходит, когда материал охлаждается от температуры затвердевания до комнатной температуры, что происходит из-за термического сжатия . [20]
Большинство материалов усаживаются при затвердевании, но, как показано в соседней таблице, некоторые материалы этого не делают, например, серый чугун . Для материалов, которые усаживаются при затвердевании, тип усадки зависит от того, насколько широк диапазон замерзания материала. Для материалов с узким диапазоном замерзания, менее 50 °C (122 °F), [23] в центре отливки образуется полость, известная как труба , потому что внешняя оболочка замерзает первой и постепенно затвердевает к центру. Чистые и эвтектические металлы обычно имеют узкие диапазоны затвердевания. Эти материалы имеют тенденцию образовывать корку в открытых воздушных формах, поэтому их называют сплавами, образующими корку . [23] Для материалов с широким диапазоном замерзания, более 110 °C (230 °F), [23] гораздо большая часть отливки занимает кашеобразную или слякотную зону (температурный диапазон между солидусом и ликвидусом), что приводит к образованию небольших карманов жидкости, захваченных по всему объему, и в конечном итоге к пористости. Эти отливки, как правило, имеют плохую пластичность , прочность и усталостную прочность. Более того, для того, чтобы эти типы материалов были непроницаемыми для жидкости, требуется вторичная операция по пропитке отливки металлом или смолой с более низкой температурой плавления. [21] [24]
Для материалов с узкими диапазонами затвердевания трубы можно преодолеть, спроектировав литье так, чтобы оно способствовало направленному затвердеванию, что означает, что литье сначала застывает в точке, наиболее удаленной от литника, а затем постепенно затвердевает по направлению к литнику. Это позволяет обеспечить непрерывную подачу жидкого материала в точке затвердевания для компенсации усадки. Обратите внимание, что все еще есть усадочная пустота, где затвердевает конечный материал, но при правильном проектировании она будет находиться в литниковой системе или стояке. [21]
Подъемники, также известные как питатели , являются наиболее распространенным способом обеспечения направленной кристаллизации. Они подают жидкий металл в затвердевающую отливку, чтобы компенсировать усадку при затвердевании. Для правильной работы подъемника он должен затвердеть после литья, в противном случае он не сможет подавать жидкий металл для усадки внутри отливки. Подъемники увеличивают стоимость литья, поскольку они снижают выход каждой отливки; т. е. больше металла теряется в виде лома для каждой отливки. Другой способ способствовать направленной кристаллизации — добавление к форме охладителей. Охладитель — это любой материал, который будет отводить тепло от отливки быстрее, чем материал, используемый для формования. [25]
Стояки классифицируются по трем критериям. Первый — если стояк открыт для атмосферы, если это так, то он называется открытым стояком, в противном случае он известен как глухой тип. Второй критерий — где расположен стояк; если он расположен на отливке, то он известен как верхний стояк , а если он расположен рядом с отливкой, то он известен как боковой стояк . Наконец, если стояк расположен на литниковой системе так, что он заполняется после полости формования, он известен как живой стояк или горячий стояк , но если стояк заполняется материалами, которые уже прошли через полость формования, он известен как мертвый стояк или холодный стояк . [19]
Вспомогательные средства для стояков — это элементы, которые помогают стоякам создавать направленную кристаллизацию или уменьшать количество требуемых стояков. Одним из таких элементов являются охладители , которые ускоряют охлаждение в определенной части формы. Существует два типа: внешние и внутренние охладители. Внешние охладители — это массы материала с высокой теплоемкостью и высокой теплопроводностью, которые размещаются на краю полости формы. Внутренние охладители — это куски того же металла, который заливается, которые размещаются внутри полости формы и становятся частью отливки. Изоляционные рукава и накладки также могут быть установлены вокруг полости стояка, чтобы замедлить затвердевание стояка. Нагревательные спирали также могут быть установлены вокруг или над полостью стояка, чтобы замедлить затвердевание. [26]
Усадку после затвердевания можно устранить, используя шаблон увеличенного размера, разработанный специально для используемого сплава.Правило сокращения s, илиправило усадки s, используется для того, чтобы сделать шаблоны больше по размеру, чтобы компенсировать этот тип усадки.[27]Эти линейки имеют превышение до 2,5% в зависимости от отливаемого материала.[26] Эти линейки в основном упоминаются по их процентному изменению. Шаблон, сделанный для соответствия существующей детали, будет сделан следующим образом: сначала существующая деталь будет измерена с помощью стандартной линейки, затем при построении шаблона изготовитель шаблона будет использовать правило усадки, гарантируя, что отливка сократится до правильного размера.
Обратите внимание, что усадка шаблонизатора не учитывает фазовые изменения. Например, эвтектические реакции, мартенситные реакции и графитизация могут вызывать расширения или сжатия. [27]
Полость формы отливки не отражает точных размеров готовой детали по ряду причин. Эти изменения полости формы известны как допуски и учитывают усадку, усадку, обработку и искажение моделиста. В процессах многоразового использования эти допуски передаются непосредственно в постоянную форму, но в процессах многоразового использования они передаются в шаблоны, которые позже формируют полость формы. [27] Обратите внимание, что для многоразовых форм требуется допуск на изменение размеров формы из-за нагрева до рабочих температур. [28]
Для поверхностей отливки, перпендикулярных линии разъема формы, необходимо включить уклон. Это делается для того, чтобы отливку можно было выпустить в нерасходных процессах или модель можно было вынуть из формы, не разрушая форму в расходных процессах. Требуемый угол уклона зависит от размера и формы элемента, глубины полости формы, способа извлечения детали или модели из формы, материала модели или детали, материала формы и типа процесса. Обычно уклон составляет не менее 1%. [27]
Припуск на обработку сильно варьируется от одного процесса к другому. Песчаные отливки обычно имеют грубую отделку поверхности, поэтому требуют большего допуска на обработку, тогда как литье под давлением имеет очень тонкую отделку поверхности, которая может не требовать никакого допуска на обработку. Кроме того, черновик может обеспечить достаточный припуск на обработку для начала. [28]
Допуск на искажение необходим только для определенных геометрий. Например, отливки U-образной формы будут иметь тенденцию к искажению с выступающими наружу ножками, поскольку основание формы может сжиматься, в то время как ножки ограничены формой. Это можно преодолеть, спроектировав полость формы так, чтобы ножка изначально была наклонена внутрь. Кроме того, длинные горизонтальные секции имеют тенденцию провисать посередине, если ребра не включены, поэтому может потребоваться допуск на искажение. [28]
Стержни могут использоваться в процессах одноразовых форм для производства внутренних элементов. Стержень может быть металлическим, но обычно он делается из песка.
Существует несколько распространенных методов заполнения полости формы: гравитационный , низкого давления , высокого давления и вакуумный . [29]
Вакуумная заливка, также известная как контргравитационная заливка, более эффективна с точки зрения металла, чем гравитационная заливка, поскольку в литниковой системе затвердевает меньше материала. Гравитационная заливка имеет выход металла всего от 15 до 50% по сравнению с 60–95% при вакуумной заливке. Также меньше турбулентность, поэтому литниковую систему можно упростить, поскольку ей не нужно контролировать турбулентность. Кроме того, поскольку металл вытягивается из-под верхней части ванны, металл свободен от окалины и шлака, так как они имеют меньшую плотность (легче) и всплывают наверх ванны. Перепад давления помогает металлу течь во все тонкости формы. Наконец, можно использовать более низкие температуры, что улучшает структуру зерна. [29] Первая запатентованная вакуумная литейная машина и процесс датируются 1879 годом. [30]
При низком давлении заполнения используется давление воздуха от 5 до 15 фунтов на кв. дюйм (от 35 до 100 кПа изб.) для подачи жидкого металла по трубке подачи в полость формы. Это устраняет турбулентность, возникающую при литье под давлением, и увеличивает плотность, повторяемость, допуски и однородность зерна. После затвердевания отливки давление сбрасывается, и вся оставшаяся жидкость возвращается в тигель, что увеличивает выход. [31]
Наклонное заполнение , также известное как наклонное литье , является необычной техникой заполнения, при которой тигель прикрепляется к литниковой системе, и оба медленно вращаются так, чтобы металл попадал в полость формы с небольшой турбулентностью. Цель состоит в том, чтобы уменьшить пористость и включения путем ограничения турбулентности. Для большинства применений наклонное заполнение нецелесообразно из-за следующей присущей проблемы: если система вращается достаточно медленно, чтобы не вызывать турбулентность, фронт струи металла начинает затвердевать, что приводит к ошибкам. Если система вращается быстрее, она вызывает турбулентность, что сводит на нет цель. Дюрвиль из Франции был первым, кто попробовал наклонное литье в 1800-х годах. Он пытался использовать его для уменьшения поверхностных дефектов при литье монет из алюминиевой бронзы . [32]
Макроструктура зерна в слитках и большинстве отливок имеет три четких области или зоны: зону отбела, столбчатую зону и равноосную зону. На рисунке ниже показаны эти зоны.
Зона охлаждения так названа, потому что она находится у стенок формы, где стенка охлаждает материал. Здесь происходит фаза зарождения процесса затвердевания. По мере удаления большего количества тепла зерна растут к центру отливки. Это тонкие, длинные столбики , которые перпендикулярны поверхности отливки, что является нежелательным, поскольку они обладают анизотропными свойствами. Наконец, в центре равноосная зона содержит сферические, беспорядочно ориентированные кристаллы. Они желательны, поскольку обладают изотропными свойствами. Создание этой зоны может быть обеспечено с помощью низкой температуры заливки, легированных включений или инокулянтов. [16]
Распространенными методами контроля стальных отливок являются магнитопорошковый контроль и капиллярный контроль . [33] Распространенными методами контроля алюминиевых отливок являются радиография , ультразвуковой контроль и капиллярный контроль . [34]
Существует ряд проблем, с которыми можно столкнуться в процессе литья. Основными типами являются: газовая пористость , усадочные дефекты , дефекты материала формы , дефекты заливки металла и металлургические дефекты .
Моделирование процессов литья использует численные методы для расчета качества литой детали с учетом заполнения формы, затвердевания и охлаждения, а также обеспечивает количественное прогнозирование механических свойств литья, термических напряжений и деформации. Моделирование точно описывает качество литой детали заранее, до начала производства. Оснастка для литья может быть спроектирована с учетом требуемых свойств детали. Это имеет преимущества помимо сокращения выборки перед производством, поскольку точная компоновка всей литейной системы также приводит к экономии энергии , материалов и инструментов.
Программное обеспечение поддерживает пользователя в проектировании компонентов, определении практики плавки и метода литья вплоть до изготовления моделей и форм, термообработки и отделки. Это экономит затраты на всем пути производства литья.
Моделирование процесса литья изначально разрабатывалось в университетах, начиная с начала 1970-х годов , в основном в Европе и США, и считается наиболее важным нововведением в технологии литья за последние 50 лет. С конца 1980-х годов стали доступны коммерческие программы, которые позволяют литейным заводам получить новое представление о том, что происходит внутри формы или штампа во время процесса литья. [35]
