Техноэкология литейного производства

Суть литейного производства состоит в получении отливок литых металлических изделий путем заливки расплавленного металла или сплава в литейную форму. Не существует ни одной отрасли машиностроения , где не используют литые детали. Около 50% массы машин и механизмов составляют отливки, в станкостроении около 80%. Это объясняется преимуществом литейного производства в сравнении с другими способами получения заготовок или готовых изделий. Литьем получают заготовки как простой, так и очень сложной формы с внутренними пустотами, которые невозможно или очень тяжело изготовить другими способами. В многих случаях это наиболее простой и дешевый способ получения изделий. Масса деталей колеблется от нескольких граммов до нескольких сотен тонн. Некоторые специальные способы литья позволяют получать отливки с высокой чистотой поверхности и точностью размеров, что позволяет сократить или полностью исключить последующую механическую обработку. Специальные способы литья позволяют частично и полностью отказаться от использования формовочных и стержневых смесей.

Развитие литейного производства в Украине. Племена, которые населяло современную территорию Украины 43 тыс. лет до Рождества Христова создали металлургию меди. В 3 тысячелетии до Рождества Христова появляются разнообразные металлические изделия. Расцвет бронзолитейного дела приходится на середину 2 начало 1 тысячелетия до Рождества Христова. В период катакомбной культуры (начало 1 тысячелетия до Рождества Христова) литейное дело выделилось в самостоятельное ремесло. В 31 столетии возникает наибольший в Восточной Европе центр бронзолитейного производства. В послескифский период восточные славяне (69 ст) достигли высокого уровня развития литейного ремесла. В период Киевской Руси литейное ремесло не только получило широкое распространение, но и начало исполь зовать новую технику литья. Особого расцвета литейное дело получило в 1250-1654 гг. После революции 1917 г. литейное производство развивается поэтапно. До 1926 года длится национализация заводов. За первое пятилетие строятся большие литейные цеха. Потом осуществляется строительство многих заводовгигантов, возрастает квалификация работников. Длится рост механизации и автоматизации. За годы 8-й пятилетки на 72% повысился объем специальных видов литья. Украина приналежит к странам с развитыми литейным и кузнечным производствами, которые до 1990 года имели в своем составе 1350 литейных цехов и участков.

Выпуск литья на Украине в 197080 г.г. (тыс. т)
Способ литья	1970	1980
В обочковые формы	20,4 (2,0%)	31,20 (23%)
В кокиль	498,2(48,6%)	670,30 (19,0%)
На центробежных машинах	493,9(453%)	577,5 (42,2%)
По выплавляемым моделям	13,0 (1,26%)	24,99 (1,8%)
Вакуумным всасыванием	0,7 (0,06%)

В 1997 гг. производство литья сократилось на 81,6 % Наибольшее сокращение претерпело производство литья из цветных сплавов (89,7%). Такое же падение объемов наблюдалось при производстве точных литых заготовок (92,1%). Ухудшились технико-экономические показатели работы литейных цехов. Нарушились материально-техническое обеспечение и связи по кооперации. Прекратилось техническое перевооружение на современной основе.

Динаміка ливарного виробництва за 19901997 р.р						Прогноз ливарного виробництва на 19992015 рр.
Роки	Литво, тис. т	Роки	Литво, тис. т	Роки	Литво, тис. т		Роки	Литво, тис. т	Роки	Литво, тис. т	Роки	Литво, тис. т
1990	5424,5	1993	2668,0	1996	1018,8		2000	1019	2003	1104	2007	1587
1991	4726,1	1994	1375,5	1997	938,3		2001	1039	2004	1133	2009	1935
1992	3995,8	1995	1133,2	1999	1011		2002	1052	2005	1444	2015	3475

Прогноз развития производства до 2015 года предусматривает ускорение технического перевооружения, специализации производства, создания и широкого применения прогрессивных ресурсосберегающих технологий, повышение механизации и автоматизации.

Классификация способов изготовления отливок.

- по числу заливок расплава в литейную форму (разовые и многоразовые);

- по конструкции литейных форм (разъемные и неразъемные);

- по материалам, из которого изготовляют формы (песчаноглинистые, песчаные, графитовые, керамические, металлические и т.д.);

- по давлению, при которым находится жидкий металл в форме (атмосферное, низкое, высокое, вакуум);

- по способу подачи расплава в формы (свободное литье, вакуумное литье, литье с помощью вибрации, ультразвука, электромагнитных полей и т.п.)

Характеристика способов получения отливок

Стойкость форм	Способ изготовления			Наибольшая маса, кг	Наименьшая толщина	Материал
Разовые	Ручное формование		У земле	300000	58	Чугун, сталь, цветные металлы и сплавы
			По шаблону	100000
			В опоках
			В шитках	2000
	Машинное формование				35
	Оболочковые формы	Песчаносмоляные		150	11,5
		Химическитвердющие		40000
		Из жидкого стекла		100
	Литье по выплавляемым, растворимым и криогенным моделями			150	0,51	Сталь легированная
Много разовые	Гипсовые			100	23	Чугун, сталь, цветные металлы и сплавы
	Песчаноцементные			70000
	Кирпичные			200000
	Шамотно – кварцевые			100000
	Глиняные			50000
	Графитовые и каменные			150
	Металокерамические			30
	Металлические форми (кокиль)			7000	15	Чугун
				4000	10	Сталь
				500	3	Цветные металлы
	Облицованный кокиль			250	10	Сталь
	Под давлением			100	0,5	Цветные металлы
	Центробежное литье			5000	3,0	Чугун, сталь, цветные металлы и сплавы
	Жидкая штамповка			300	0,3	Цветные металлы

На практике применяют комбинированные способы и часто способ изготовления отливки одновременно належит к разным классификационным группам. В литературе можно встретить деление способов изготовление отливок на обычные и специальные. Специальные дают возможность изготовления отливок высшего качества, точности размеров, чистоты поверхности. Перед изучением разных способов изготовления отливок надо отметить, что их распространение определяется прежде всего техническоэкономической целесообразностью изготовления заготовок. Рассмотрим основные способы изготовления отливок и краткую характеристику технологических процессов, их структуры, основных преимуществ и недостатков разных способов с точки зрения влияния на экологию.

Литье в песчано-глиняные формы (в земляные формы) наиболее универсальный и распространенный способ получения отливок. Он используется в единичном, серийном и даже в массовом производстве. Литьем в земляные формы обычно изготовляют большие и среднегабаритные заготовки простой и сложной формы. Берется модель, которую надо отлить, помещается в опоку, туда засыпается и уплотняется смесь. Потом две половинки опоки составляют и заливают жидкий металл.

Механизированное и автоматизированное машинное формирование опок смесью, ее уплотнение, съем моделей из формы, складывание, окраска, сушка и транспортирование форм используется в серийному и массовом производствах. Применение роботизированных и автоматизированных линий с программным управлением производственного процесса обеспечивает высокое качество заготовок, улучшенные условия работы и высокую производительность оборудования. Различают такие способы изготовления форм для литья заготовок, в двух, трех и больше опоках; за разъемными и неразъемными моделями; за моделями с отъемными частями; с перекидным болваном, по шаблонам; по скелетной модели, в земле; на стержнях.

Формы по состоянию перед заливкой различают: сырые, полусухие химическитвердеющие и самотвердеющие. Последние обеспечивают возможность организации автоматизированного и экологически чистого производства.

Применяют и литье по газифицированным моделям. Суть его состоит в том, что жидкий металл заливают через литниковую систему неспосередственно на заформированную в формовочную смесь пенополистироловую модель, которая под действием тепла жидкого металла сгорает и газифицируется, освобождая пустоту формы для заполнения ее металлом. Особенностью этого способа есть использование невыемной перед заливанием формы разовой пенополистироловой модели, отсутствие стержней и плоскости разнимания формы. Все это дает возможность расширить возможности процесса литья в песчаноглинистые формы, получить отливки сложной конфигурации, содействует повышению их качества.

Для изготовления моделей используют бук, березу, клен, сосну или пихту. Для машинного формирования модели изготовляют из металла. Преимущества деревянных моделей их низкая цена, простота изготовления; при больших размерах небольшая масса; к недостаткам следует отнести недолговечность, изменение размеров соответственно влагосодержанию.

Металлические модели имеют большую долговечность, высокую точность и чистую рабочую поверхность.

Существуют еще модели из пластмасс. Различают такие формовочные смеси: заполнительные, облицовочные и универсальные. Основные требования, которым они должны отвечать: огнеупорность, пластичность, прочность, газопроницаемость, податливость, непригорание, негигроскопичность, долговечность, дешевизна, недефицитность. Для приготовления формовочных смесей используют как наполнители глину и кварцевый порошок; как протипригарные элементы каменноугольная пыль, тальк и графит; как красители – маршалит, магнезит и цирконий.

В шишковых смесях вместо глины применяют оксоль, жидкое стекло, смолы, патоку с добавлением торфа, которые, выгорая, повышают пористость и податливость смесей. Для повышения качества отливок формовочные смеси в формах прессуют па гидравлических прессовых машинах или на машинах с резиновой диафрагмой под давлением 24 МПа.

Шишковые формы составляют из сухих шишек в специальных металлических опоках В массовом производстве используют оболочковые шишки, которые изготовляют пескодувным способом в нагретой металлической форме Часто большие шишки делают полыми, что дает возможность экономить материал для изготовления смесей.

Литье в вакуумнопленочные формы. Суть способа состоит в том, что на газопроницаемый модельный комплект накладывают предварительно нагретую синтетическую пленку и с помощью вакуумного устройства создают вакуум между пленкой и модельным комплектом. Благодаря этому пленка плотно прилегает к поверхности модели. На такой модельный комплект накладывают опоку, засыпают сухим песком, трамбуют, покрывают пленкой и создают вакуум внутри опоки. После отключения от вакуумного устройства из готовой полуформы снимают модельный комплект. Таким образом изготовляют все части литейной формы. В процессе дальнейшего складывания литейной формы, заливания ее металлом и охлаждения отливки форма или ее составные части) находятся под действием вакуума. После охлаждения отливки отключают вакуумное устройство, вследствие чего песок свободно высыпается из формы. Отливка легко отделяется от формы, а песок транспортируется для повторного использования после соответствующего его очищения от пыли и грязи. Таким способом изготовляют отливки практически из всех литейных металлов и их сплавов в условиях единичного, серийного и массового производства, массой от 1 до 10000 кг с габаритами до нескольких метров. Размеры отливок ограничиваются только размерами опок и производительностью вакуумных устройств. Форма и конфигурация отливок определяется свойствами и толщиной используемой пленки.

Наибольшего распространения приобрела облицовочная пленка с сополимерэтилена и винилацетата толщиной 0,050,10 мм. Пленка из полиэтилена низкого давления хорошо вытягивается, но для этого нужны значительные усилия. Пленки из полипропилена имеют хорошую пластичность, но в ограниченном температурном диапазоне. Поливинилхлоридная пленка при нагреве выделяет хлор, являющийся токсичным веществом. Применяют пленки с разными наполнителями, что повышают их пластичность и термостойкость, а также пленки, которые можно напылять в жидком состоянии. Во избежание прилипания пленки и песка к отливкам, поверхность пленки покрывают безводными красками, изготовленными на основе графита, талька и т.п..

Степень разрежения воздуха в форме должна быть достаточной, чтобы форма не разрушалась, но не очень высоким, чтобы не содействовать пригоранию металла. Большей частью формы перед заливкой и во время заливки находятся в вакууме. Транспортируют готовые литейные формы или их части вместе с автономным вакуумным устройством.

Заливку формы следует выполнять быстро, во избежание преждевременного их разрушения от потери герметичности во время выгорания пленки. Для выхода газов из формы предусмотрены специальные отверстия. Литниковую систему делают открытой. Часто ее изготовляют из газифицированных материалов (пенополистирола), которые выгорают во время заливки металла.

Использование сухого песка вместо формовочных смесей позволяет обходиться без сложного оборудования для их изготовления, уменьшаются капитальные затраты и стоимость отливок. Количество формовочных материалов уменьшается сравнительно с обычным литьем в песчаноглинистые формы приблизительно на 40%, а затрата песка на один цикл выливания не превышает 3%. Отсутствие связующих материалов и разных примесей, которые вводят в формовочные смеси для улучшения их податливости, газопроницаемости, дает возможность снизить загрязнения воздуха.

Литье во временные формы. Временные формы в зависимости от материала и расплава выдерживают до нескольких сот заливок. Например, графитовые формы, которые используют для изготовления заготовок из жаропрочных чугунов, сталей, молибденовых, вольфрамовых, вольфрамокобальтовых и других сплавов с высокой температурой плавления, выдерживают до 300 заливок.

Графитовые формы изготовляют из брикетированного графита с помощью обработки резанием. Шамотные, гипсовые и металлокерамические формы в зависимости от содержимого металлического порошка дают возможность руководить скоростью охлаждения отливки.

Керамические формы изготовляют из жидкой химической смеси, которую дополнительно обжигают. Применяют керамические формы из пластических и сыпучих смесей, которые изготовляются прессованием. В керамических формах получаются отливки массой от 0,2 до 10000 кг из разных материалов, с точностью размеров отливок до 11 квалитету и чистоты поверхностей до 5 мкм по параметром Ra. Это дает возможность получать фасонные отливки для кузнечного, прессового и режущего инструмента, лопаток турбин, арматуры высокого давления из легированных сталей и т.п.. Отливки из некоторых сплавов никеля и титана получают только способом литья в керамические формы.

Для изготовления графитовых форм применяют естественный или искусственный графит, пирографит, другие углеродные материалы. Эти формы практически незаменимые для изготовления отливок из химически активных тугоплавких сплавов на основе титана, урана, ниобия, вольфрама и т.п.. В производстве используют как чисто графитовые формы, так и формы, покрытые углеродными композициями, оболочковые углеродные формы, изготовленные из углеродных смесей по выплавляемыми моделями.

В последнее время все чаще применяют одноразовые формы, которые отвердевают в снаряжении (на модели, в форме). Общим для них есть использование синтетических связок, которые при соответствующих условиях бесповоротно отвердевают. Отливки, полученные в этих формах, отмечаются большой точностью размеров, качеством поверхностей, маленькими припусками на обработку резанием. Технологические процессы легко механизируются и автоматизируются. К недостатками этого способа следует отнести токсичность связок.

Изготовление отливок в металлических формах. Кокиль (от фр. соquille) металлическая форма, которая заполняется расплавом под действием гравитационных сил. Кокили могут быть использованы многократно. Формы для изготовления заготовок бывают полностью металлическими или комбинированными с использованием неметаллических шишек. Основные преимущества этого способа изготовления отливок возможность многократного использования литейной формы; высокая точность формы и его размеров; качественная поверхность заготовок; мелкозернистая структура материала; сравнительно высокая производительность; низкая трудоемкость и стоимость заготовок; отсутствие необходимости в модельной, опочной оснастке и формовочных смесях; добрые условия работы; не требует высокой квалификации рабочих; нужны сравнительно небольшие производственные площади.

Недостатками этого способа изготовления отливок является высокая стоимость оснастки; невозможность изготовления тонкостенных отливок изза повышенной скорости их охлаждения и отливок с значительной массой. Поэтому кокильное литье, как правило, используют для изготовления простых по конфигурации отливок из чугуна, стали и цветных металлов в серийном и массовом производстве. Кокили позволяют получать отливки с точными размерами поверхностей (12 квалитет). Используют разъемные и неразъемные кокили с вертикальными и горизонтальными поверхностями разъема. Для ускорения охлаждения с внешней стороны кокилей предусмотренные штыри или ребра. Чтобы предотвратить отбеливанию чугуна, для отливок выбирают соответствующий химический состав литейного сплава, а перед заливкой форму нагревают до 250300°С и уменьшают время охлаждения отливки в форме. В случае заливания в кокиль сплавов на основе меди литейные формы смазывают жирными красками, которые предотвращать пригоранию. Стойкость чугунных кокилей составляет для стального литья 50-500 отливок, для чугунного 400-8000 отливок, для цветных металлов десятки тысяч отливок. Материал для изготовления металлических форм выбирают в зависимости от материала отливки, требований к ее качеству, программы выпуска заготовок. Для повышения стойкости кокилей их рабочие поверхности покрывают огнеупорными материалами и перед каждой заливкой красят. В сравнении с литьем в землю, литье в кокиль имеет ряд преимуществ с точки зрения влияния на экологию. Происходит уменьшение объема опасных для здоровья работающих операций отливки форм, общее улучшение условий работы, меньшее загрязнение окружающей среды.

Изготовление отливок литьем под давлением. Воздействие на жидкий металл внешних сил во время заполнения формы и кристаллизации отливки есть одним из эффективных способов устранения дефектов литья и получение высококачественных заготовок. Технологические процессы литья под давлением, кроме этого, есть высокопроизводительными, несложными, они имеют кратковременный цикл, легко поддаются механизации. Различают литье под высоким и низким давлением.

Изготовление отливок под высоким давлением. Литье заготовок под высоким давлением осуществляют в специальных металлических формах, которые имеют заданную герметичность. Преимуществом этого способа изготовления отливок,кроме указанных для кокильного способа, есть сравнительно высокое качество отливок (размеры могут иметь 10 квалитет точности, шероховатость поверхности Ra 1,25 мкм), возможность получения тонких стенок (0,5 мм), Получения маленьких отверстий (1 мм) и поверхностей с резьбами, отсутствием прибылей, раковин и припусков на обработку резанием. Недостатком этого способа литья является высокая стоимость литейных форм; пригодность способа в основном для материалов с низкой температурой плавления; возможность возникновения внутренних напряжений и трещин в отливках. Сплавы для литья под давлением должны иметь достаточную прочность при повышенных температурах, чтобы отливки во время их выталкивания из формы не ломались, иметь небольшой интервал температур кристаллизации. Этим способом изготовляют отливки из сплавов на основе алюминия, меди, цинка и магния. Как основное оборудование для литья под давлением используют компрессорные и поршневые машины с холодной или горячей камерами сжатия, расположенными горизонтально или вертикально, с производительностью до 200400 отливок за смену. На компрессорных машинах производительность значительно выше и составляет 3500 отливок за смену. Машины с горячей камерой, которая находится непосредственно в жидком металле, используют для материалов с температурой плавления до 500°С. Машины с холодной камерой пригодны для более тугоплавких материалов. В машинах с холодной камерой поршень контактирует с горячим металлом кратковременно, а это дает возможность использовать более высокие рабочие давления (100300 МПа), чем для машин с горячей камерой (20 МПа) Для повышения производительности машин и их стойкости используют водное охлаждение пресс-формы. При конструировании пресс-формы используют унификацию, например, универсальные формы пакеты, нормализованные детали, узлы, блоки, специальные формы пакеты, универсальные блоки формы, которые дает возможность использовать их в условиях массового, серийного и мелкосерийного производства. Во избежание пригорания и для повышения стойкости пресс-формы используют смазочные масла из парафина, моторного масла, графита, церезина, воска и т.п.. Пресс формы для литья отливок из металлов с высокими температурами плавления (легированные стали) изготовляют из спеченных материалов на основе молибдена и вольфрама. На современных машинах для литья под высоким давлением автоматизированы операции обдувания и смазка формы, дозирование и заливание металла в форму, выталкивание отливок из формы и их транспортирование, а также очистки отливки от литниковой системы и поддерживания надлежащей температуры формы во время кристаллизации отливки. Пневматические дозаторы обеспечивают высокую чистоту металла, минимальное снижение его температуры и высокую точность массы. Для исключения пористости отливок и увеличения их прочности в процессе заливки формы применяют вакуумирование полости формы.

Литье под низким давлением.Литье под низким давлением выполняется в специальных формах (металлических, земляных, шишковых и т.п.), которые с помощью металлопровода соединены с ванной жидкого расплава. Ванна жидкого расплава герметично закрывается, а над поверхностью зеркала металла с помощью сжатого воздуха или инертного газа создается низкое избыточное давление, обеспечивая надежную подачу жидкого расплава в полость формы. В зависимости от материала формы и конструкции преимущества и недостатки этого способа аналогичны получению отливок под давлением. Разница состоит в том, что этим способом жидкий расплав подается в форму при низком избыточном давлении (10,20,810 Па), достаточном для надежного заполнения формы. Это обеспечивает возможность изготовления тонкостенных и ребристых отливок значительных размеров, с высокой точностью формы и размеров, качеством поверхностей, незначительными припусками на обработку резанием, создает возможность автоматизации процессов изготовление отливок и улучшение условий работы. После заполнения формы металлом под действием давления происходит кристаллизация отливки в форме. В металлопроводе металл продолжает находиться в жидком состоянии, поэтому литниковый коллектор выполняет функцию прибыли, надежно питает нижнюю часть отливки жидким металлом.

Основные преимуществами литья под низким давлением являются:

• использование металлических, песчаных, оболочковых и комбинированных форм обеспечивает широкую сферу применения этого способа;

• безковшевое заполнение формы сплавом из глубинных зон тигля уменьшает опасность попадания в отливку неметаллических примесей;

• кристаллизация отливки в форме под избыточным давлением способствует повышению качества материала отливки, точности формы, размеров, качества поверхностей отливки.

К недостаткам способа належит возможное появление газовой пористости, раковин, прилипания песка к поверхностям отливок цветных сплавов, преимущественно алюминиевых.

Изготовление отливок с помощью выплавляемых и выжигаемых моделей

Этот способ изготовления отливок применяют для всех сплавов, в частности высоколегированных сталей, которые имеют высокую температуру плавления и плохо поддаются механической обработке и ковке. Литьем по выплавляемыми моделями можно изготовить заготовки массой от 0,02 до 100 кг с минимальной толщиной стенки 0,5 мм и отверстиями 1 мм.

К преимуществам этого способа относятся высокая точность формы и размеров, качество поверхностей заготовок, незначительные литейные уклоны, маленькие припуски на обработку резанием, и вдобавок отливки легко отделяются от формы, не пригорают, форма не имеет плоскости разъема, что обеспечивает повышенную точность отливок. Этот способ позволяет изготавливать отливки с высокой точностью размеров (до 9 квалитета). Отливки по выплавляемыми, растворимыми и выжигаемыми моделями есть наиболее эффективными в условиях серийного производства. К недостаткам этого способа належат сравнительно высокая его трудоемкость и сложность технологического процесса. Литьем с помощью выплавляемых и выжигаемых моделей целесообразно изготовлять мелкие и сложные по конфигурации заготовки из цветных металлов, сплавов, высоколегированных и жаропрочных сталей, которые плохо обрабатываются резанием или имеют низкие литейные свойства. Материалом для изготовления выплавляемых моделей является парафин, стеарин, воск, канифоль; для растворимых карбид; для выжигаемых пенополистирол и полиуретан. Модель погружают в огнеупорные смеси с маршалита и этилсиликата, посыпают кварцевым песком и высушивают на воздухе. Этот процесс повторяют несколько раз. Выплавление модели из оболочки выполняют в ваннах с горячей водой или с горячим воздухом или паром. После виплавления или выжигания модели форму отжигают при температуре 800-900°С. Укладку формы выполняют в металлических опоках, в которых оболочки формы заготовок, соединенных литниковой системой, засыпают сухим наполнителем (песком). Модельные блоки получаются в пресс-формах.

Изготовление отливок в оболочковых формах. Суть способа состоит в том, что литейную форму изготовляют в виде тонкой оболочки, образованной из смеси связующих материалов типа термореактивных фенольных смол и кварцевого песка. Изготовление отливок в оболочковых формах применяют в многосерийном и массовом производстве для получения фасонных и сложных по форме, мелких и средних по массе отливок, практически из всех сплавов. В качестве примера можно привести отливки блоков цилиндров мотоциклов, коленчатых валов, зубчатых колес, крышек и т.п.. Преимущество этого способа литья высокое качество отливок, возможность изготовления заготовок сложных геометрических форм, тонкостенных, сравнительно меньшие затраты формовочных смесей, лучшие условия труда, меньшая потребность в производственных площадях. Кроме этого, процесс легко поддается механизации и автоматизации Этот способ дает возможность изготовлять заготовки с высокой точностью размеров (12 квалитет) Оболочковую форму с двух или больше частей изготовляют путем покрытия нагретой модели термореактивной смесью и полимеризацией частей оболочковой формы нагреванием в печи до 350°С Для ускорения твердения формы к смеси прибавляют катализаторы например, утропин. Толщина оболочки 68 мм. Для укрепления формы оболочку вставляют в опоку и засыпают стружкой из чугуна, реже стружкой из стали, алюминиевых или магниевых сплавов. Широко применяют такие способы изготовления оболочек бункерный, пескодувный, пескодувный с контрплитою и прессовальный с помощью гибкой диафрагмы. Бункерный способ состоит в закрытии бункера, наполненного смесью, нагретой подмодельной плитой с моделью, и перебрасывании его на заданное время для образования на поверхности модели оболочки достаточной толщины. В процессе пескодувного способа плакированный смолой песок наносят на модель с помощью струи сжатого воздуха В этом случае оболочка имеет большую прочность Но наиболее прочна оболочка, получаемая с помощью гибкой (например, резиновой) диафрагмы. На смесь через диафрагму действует избыточное давление (до 0,2 МПа) теплого воздуха. С точки зрения экологии литье в оболочковые формы более приемлемо чем литье с использованием глиняных, песчаноглиняных смесей, поскольку затраты формовых материалов сокращаются в 36 раз. Недостатком этого способа является не только высокая стоимость связующих, но и токсичность (фенол, формальдегид и т.п.).

Центробежное литье заготовок. При центробежном литье заливают металл во вращающуюся форму. Этот способ литья применяют в массовом, серийном и даже единичном производстве для изготовления простых по форме, цилиндрических, многослойных, удлиненных заготовок практически из всех сплавов. Центробежным литьем изготовляют трубы, втулки с фланцами, армированные заготовки, отливки с параболическими поверхностями и т.п.. Для этого используют машины с горизонтальной, вертикальной и наклонной осью вращения формы. Наклон оси, вращение формы и скорость ее вращения могут изменяться в процессе литья. Формы для центробежного литья делают металлическими, керамическими, песчаными и комбинированными. Среди преимуществ этого способа литья надо отметить высокую точность формы и размеров отливок, качество поверхности, высокую производительность, отсутствие литниковой системы, возможность изготовления многослойных отливок, пригодность к механизации организации гибких производств. К недостаткам этого способа литья следует отнести низкое качество внутренней поверхности, которая требует увеличение припуска на механическую обработку, ограниченная конфигурация отливок.

Жидкая штамповка это разновидность литья под давлением. В металлическую форму заливают порцию жидкого расплава и (опуская металлический пуансон или верхнюю часть формы), сжимают жидкий расплав в пустоте между ним и матрицей. Расплавленный металл, как и любая жидкость, не сжимается. Поэтому его уплотнение и окончательное формообразование происходит во время кристаллизации или пластического деформирования уже после их окончания, если металл находится в полупластическом состоянии. Сжатие металла значительно повышает скорость его кристаллизации. В отличие от литья под давлением, во время штамповки металла заполнение формы происходит спокойно, газы беспрепятственно выходят на поверхность, и потому отсутствуют газовые раковины Поскольку расплавленный металл заливается непосредственно в матрицу, то литниковая система не нужна. Изготовление заготовок может происходить двумя способами: кристаллизацией под давлением и штамповкой вытеснением расплавленного металла. В первом случае основная масса металла не перемещается относительно стенок матрицы, в второй – расплавленный металл выжимается пуансоном с одних частей матрицы в другие. В обоих случаях отливка кристаллизуется под высоким давлением. Этот способ литья напоминает горячую штамповку в закрытых штампах Преимущества жидкой штамповки аналогичны литью под давлением.

Но по сравнению с литьем под давлением в процессе штамповки расплавленного металла, осуществляемого под более высокими давлениями, металл лучше уплотняется, лучше устраняются литейные дефекты, структура металла более мелкозернистая и равномерная, он приобретает лучших механических свойств, имеет высшую стойкость формы, которая дает возможность изготовлять как тонкостенные, так и толстостенные заготовки с всех литейных сплавов без литников и прибылей. В сравнении с горячей штамповкой жидкая штамповка позволяет получать заготовки как из деформируемых, так и недеформируемых малопластичных и хрупких сплавов; отмечается значительно меньшими (в 68 раз) затратами энергии на формообразование, обеспечивает возможность получения глубоких пустот, тонких пересечений с большими линейными размерами, повышает точность формы и размеров, повышает качество поверхности, дает возможность уменьшить затраты материала, снизить трудоемкость изготовления и т.п.. Сравнительно с другими способами изготовления отливок, этот способ обеспечивает высочайшие механические свойства металла. Этот способ применяют для изготовления заготовок разной сложности массой до 10 кг для серийного и массового производства, он легко автоматизируется и пригодный для построения гибких автоматизированных систем. Скорость жидкой штамповки зависит от температуры расплава, толщины стенок отливки и ее формы. Для более простой формы и толстых стенок нужна меньшая скорость штампования. Тонкостенные отливки сложной формы больших размеров требуют большей скорости штамповки. Время выдержки отливки под давлением зависит от размеров и в особенности от толщины его стенок. Основными недостатками этого способа есть ограничение номенклатуры отливок по массе и сложности конфигурации, потребность в точном дозировании расплавленного металла и высокая стоимость основного оборудования. Этим способом большей частью изготовляют отливки из цветных металлов и сплавов и сталей, в частности легированных, в условиях серийного и массового производства. Изготовление заготовок из чугуна и сталей требует дополнительной тепловой защиты поверхностей формы и регулирование скорости охлаждения чугунных отливок, которая предотвращает их отбеливанию. Для этого поверхности формы покрывают специальными смесями. Процесс жидкой штамповки легко автоматизируется. Для этого применяют специальные дозирующие механизмы. Вместимость дозаторов от 0,2 до 15 кг, производительность машин для штампования до 200 заливок в час. Для мелких заготовок изготовляют сложные штампы с унифицированными сменны ми частями, которые дает возможность выполнять групповое штампование отливок разной конфигурации и применять этот способ в условиях мелкосерийного производства. Штампованием редкого металла изготовляют отливки для втулок цилиндров, колец, подпятников; фасонные отливки для зубчатых колес, звезд, ручек, лопаток и т.п..

Изготовление отливок электрошлаковым методом. В процессе электрошлакового литья форма выполняет две функции, являясь агрегатом для плавления расплава и формирования отливки под пластом шлака, постепенно, снизу вверх, с помощью необходимого количества кристаллизаторов. Этим способом можно получать сложные по форме заготовки путем соединения отдельных их частей. Преимущества этого способа литья высокая чистота состава сплавов, отсутствие ликваций, раковин, внутренних напряжений, формовочных смесей, литниковых систем, прибылей, высокая точность формы, размеров, качество поверхностей заготовок, значительно меньшие производственные площади. Кроме этого, нет потребности в плавильных и разливных агрегатах, лучшие условия работы, возможная механизация и автоматизация процессов изготовления заготовок. Электрошлаковое литье применяется в массовом и серийном производстве, в процессах изготовления заготовок ответственных деталей для энергетического, автомобильного, тракторного машиностроения. Как свидетельствует практика, переход на изготовление отливок электрошлаковым литьем дает возможность значительно уменьшить массу заготовок, при этом коэффициент использования материала составляет 0,98. Таким способом уже сегодня изготовляют трубы, валы прокатных станов и мощных двигателей, коленчатые валы. Недостатком этого способа есть высокая стоимость оборудования и технологической оснастки

Литье за выплавляемыми моделями. Детали получают заливкой в неразъемные, тонкостенные керамические формы, изготовленные с помощью моделей из легкоплавких компонентов. Способ обеспечивает изготовление практически из любых сплавов отливок сложной конфигурации, тонкостенных, с высоким коэффициентом использования материала; минимальными припусками на обработку резанием, резким сокращением отходов в стружку, возможность сделать сложные конструкции; уменьшение затрат формовочных материалов для 1 т отливок; снижение материалоемкости производства, улучшение условий работы и уменьшение опасного и вредного действия литейного производства на окружающую среду. Но этот способ имеет и недостатки: процесс изготовления формы многооперационная, трудоемкий и продолжительный, большая номенклатура материалов, которые используются для получения формы, сложность манипуляционных операций, изготовление моделей и форм, большие затраты металла на литниковые системы. Метод литья по выплавляемыми моделями широко используется для изготовления отливок массой от десятков граммов до сотнен килограммов. Наиболее эффективное изготовление литьем за выплавляемыми моделями в серийном и массовом производстве, где с успехом работают механизированные и комплексно автоматизированные линии.

Для изготовления моделей используют разные легкоплавкие смеси, которые содержат 50% парафина и 50% стеарина с температурой плавления около 55°С. Её недостаток в том, что она начинает размягчаться при 30-35°С. Более высокую прочность имеют смеси на основе парафина с применением этилцеллюлозы и церезина.

Для формирования керамической оболочки модель опускают в жидкую суспензию, потом посыпают песком и сушат. Сушку проводят на воздухе после нанесения каждого слоя на протяжении 24 часов. Его можно ускорить, используя пары аммиака. При сушке в псевдокипящем слое силикагеля его продолжительность снижается (до 35 минут). Выем моделей из керамических форм проводят разными способами. Легкоплавкие парафиностеариновые смеси обычно выплавляют в ваннах с теплой водой. Этот способ технически прост и обеспечивает возврат модельной смеси до 9095%. Более тугоплавкие модельные смеси выплавляют горячим воздухом или иногда паром.

Литье намораживанием имеет несколько разновидностей. Общая характерная особенность состоит в том, что образование изделий происходит в результате последовательного затвердения металла его "намораживания". Выделяют намораживание в покое, в потоке и беспрерывное. Из литья намораживанием в покое можно выделить литьё вакуумным всасыванием, в потоке литье вытеснением и беспрерывного литье способом направленной последовательной кристаллизации и в какой-то мере беспрерывное и полубеспрерывное литье.

Литье вытеснением. Способ литья вытеснением используют для получения тонкостенных крупногабаритных отливок панельного и корпусного типов. Ним можно изготовлять отливки ребристых панелей, корпусов и крышек с толщиной стенки до 1,52 мм, с массой отливок до 2 т и больше. Такие изделия с успехом заменяют штампованные из листов, прессованные и клепаные конструкции. Таким способом изготовляют отливки панелей автомобилей, автобусов, самолетов и т.п. Процесс вытеснения выполняется на литейно-выжимной машине. Недвижимая створка с полуформой жестко закреплена на станине. Подвижная створка с полуформой имеет возможность вместе с полым валом оборачиваться вокруг осы к полному столкновенью обоих полуформ (металлических, земляных, песчаных и т.п.). Нижняя часть створок, вал и полуформы образовывают ванную для заливки расплавленного металла. В процессе сближения створок с полуформами расплавленный металл выжимается из ванны, в верхнюю часть формы, постепенно заполняя ее. В это же время он охлаждается, в нем зарождаются многочисленные центры кристаллизации, появляется комковатая смесь, которое после остановки движения полуформы быстро отвердевает. Это способствует образованию плотной и мелкозернистой структуры отливок с повышенными механическими свойствами. Во время литья металл очищается от газовых и шлаковых примесей, которые выталкиваются в верхнюю часть формы и выносятся с остатками металла за ее границы. Подпитка отливки расплавленным металлом осуществляется из ванны по мере повышения давления при смыкании формы. Для улучшения заполнения ребер, бобышек, выступов в форме предусмотренны дополнительные прибыли. Наилучшими металлами для изготовления отливок вытеснением являются сплавы с минимальным интервалом кристаллизации. В случае использования металлических полуформ их рабочие поверхности и ванны покрывают теплоизоляционными красками. Песчаноглинистые формы должны иметь достаточную прочность, податливость и газопроницаемость, а формовочные смеси низкую газообразующую способность. Преимуществами этого способа литья есть возможность получать тонкостенные, крупногабаритные, ребристые отливки, с точностью формы и размеров, которые дают возможность свести к минимуму механическую обработку; обеспечивая низкую трудоемкость изготовления. Кроме этого, способ обеспечивает значительную производительность оборудования, высокую прочность материалов отливок, пригодность к механизации и автоматизации процессов изготовления отливок и т.п.. Недостатками способа есть ограниченное количество материалов отливок, способность отливок к короблению и появлению трещин.

Литье вакуумным всасыванием состоит в том, что металл заполняет литейную форму благодаря разрежению, которое создается в ней вакуумным насосом. Чаще всего этот способ используют для получения втулок, вкладышей, турбинных лопаток, ювелирных изделий. Преимуществами этого способа литья есть получение качественных бездефектных отливок и отсутствие затрат металла на литники. Способ можно использовать для изготовления отливок как простой, так и сложной формы.

Литье с последовательно направленной кристаллизацией используют в основном для изготовления больших, высотой до 3,5 м и выше, но тонкостенных (310 мм) отливок из алюминиевых и магниевых сплавов, а также очень ответственных заготовок типа лопаток газовых турбин. Форму заливают сверху при полном ее опускании. Перед заливкой в вертикальные колодцы опускают стальные трубки стояки. При подъеме стопорных пробок металл из литниковой чаши поступает в трубки стояков и в форму. Если нижний срез трубок стояков опустится в металл на 50100 мм включают механизм опускания формы с такой скоростью, чтобы нижний срез трубок все время было в металле на глубине 50100 мм. При этом кристаллизация идет направленно снизу вверх, и количество дефектов при литье минимальное.

Беспрерывное литье. Процесс беспрерывного литья происходит следующим образом: расплав из ковша равномерно и беспрерывно поступает в водоохлаждаемую металлическую форму кристаллизатор. Затвердевающая часть выкатывается валками. После прохождения валковых клетей отлитая и прокатанная заготовка нарезается пилой на мерную длину. Беспрерывное литье зародилось в 19 ст. в металлургической промышленности. В наше время беспрерывное литье широко используется для разливки сталей, цветных металлов и сплавов. Особенность процесса формирование беспрерывной отливки состоит в том, что в кристаллизаторе в разных его зонах по высоте или длине в каждый данный момент одновременно происходят все последовательные стадии охлаждения и затвердение расплава. Суть процесса беспрерывного литья состоит в возможности создания условий направленной кристаллизации. Преимущества этого способа: в цеха нет формовых и стержневых смесей, и с этим существенно связанные улучшения условий работы и уменьшение опасного действия литейного производства на окружающую среду. Существует беспрерывное, вертикальное и горизонтальное литье. Особенности горизонтального литья это горизонтальное размещение на одной технической линии металлоприемника, кристаллизатора, отливки, которая формируется, зоны охлаждения, механизмов резания. Горизонтальное размещение имеет преимущества над вертикальной низкие капитальные затраты, уменьшение окисления металла.

Полунепрерывный способ литья позволяет получать изделия диаметром до 1000 мм и длиной до 10 м, что невозможно при других способах. В установке для полунепрерывного литья труб расплавленный чугун заливают в кольцевой зазор, образованный внутренней стенкой водоохлаждаемого кристаллизатора и водоохлаждаемым металлическим стержнем. Перед началом заливки этот кольцевой зазор затворяют металлическим стержнем. Чугун быстро твердеет. Когда уровень заливаемого металла будет на 2025 мм ниже уровня кристаллизатора, опору, на которой находится металлический стержень, начинают опускать, вытягивая трубу. Одновременно расплавленный чугун из ковша заливают с заданной скоростью в кристаллизатор для поддержания в нем нужного уровня металла. Трубы, полученные этим способом, имеют чистую внутреннюю и внешнюю поверхность.

Влияние литейного производства на окружающую среду. В литейном производстве на одну тонну отливок получается от 1 до 3 тонн отходов, которые содержат отработанную и неиспользованную смесь, шлаки, пыль, газы. Хотя основная часть отходов отработанные смеси и шлаки, но относительно загрязнение окружающей среды наибольшую опасность имеют пыль и газы в связи с тем, что их тяжело улавливать и отводить. А их количество при производстве одной тонны отливок с стали или чугуна, кг: пыли 50, оксида серы (II) 1,52, углекислого газа 250, углеводородов 1. Кроме того, выделяются также вредные газы, такой как фенол, формальдегид, фурфурол, ацетон, бензол и прочее, общее количество которых хотя и небольшое, но весьма опасно из-за своей токсичности. В газах, которые отходят от литейного производства и выбрасываются в атмосферу, пыль состоит в основном из мелкодисперсных частиц, а содержание свободного диоксида кремния достигает 80%, поэтому существует возможность возникновения среди проживающего у завода населения профессиональных заболеваний (силикозов). Первое место по интенсивности выхода вредных веществ занимают участки литейных цехов, связанные со складированием, переработкой и использованием шихтовых и формовочных материалов: шихтовые дворы, смесеприготовительные отделения, стержневой участок и др. Здесь используются разнообразные бункерные транспортирующие устройства, сушильные и обжигательные аппараты и т.п. На участке разгрузки сыпучих материалов (литейного кокса, известняка, песка и др.) выделяется пыли в среднем до 22,5 кг/ч на единицу оборудования. Из сушильных аппаратов выделяются 0,2-0,5 кг/ч окиси углерода, 0,10-0,15 кг/ч окиси серы, до 0,2 кг/ч окиси азота и прочие вещества акролеин, формальдегид и т.п. Запыленность газов, которые отводятся от сушильных аппаратов, достигает 1015 г/м³. При приготовлении 1 кг стержневой смеси холодного твердения у воздуха попадает до 7,5 г различных углеводородов. При очистке и выбивке отливок в зависимости от приборов выделяется пыль с 1 м² площади решетки 45-60 кг/ч, окиси углерода 56 кг/ч, аммиака до 3 кг/ч. При механической очистке отливок абразивным инструментом интенсивность пылевыделения 12,5 кг/ч.

Источником загрязнения сточных вод в литейных цехах служат, главным образом, установки гидравлической и электрогидравлической очистки литья, влажной очистки воздуха, гидрогенерации отработанных формовых смесей. Большое экономическое значение для народного хозяйства имеет утилизация сточных вод. Количество сточных вод возможно значительно уменьшить путем использования оборотного водоснабжения. Использование пылеочистительных сооружений дает возможность не только добиться очистки газов от пыли, но и повторно использовать раньше выброшенную пыль. Эффективная система сухой и влажной очистки газов в рукавных фильтрах с улавливанием Fе₂О₃ и дальнейшей его транспортации. Из токсичных газов первое место занимает оксид углерода (II). Главный способ уменьшения количества оксида углерода, которая попадает в окружающую среду, дожиг его до оксида углерода (IV). Твердые отходы литейного производства, попадая в отвалы, представляют собой в основному отработанные литейные пески. Небольшую часть (меньшее 10%) занимают металлические отходы, керамика, древесина, мусор и др. Главным направлением уменьшения количества твердых отходов надо считать регенерацию отработанных литейных песков.