Современные тенденции в литейном производстве

Юрий Почанин

Современные тенденции в литейном производстве

ВВЕДЕНИЕ

Литейное производство – основная заготовительная база машиностроения. Отливки и детали, полученные обработкой литых заготовок, составляют от 60 до 80% от массы современного технологического оборудования, автомобилей, железнодорожного транспорта, энергетических установок, специальной техники и механизмов. Cтатистический анализ показывает, что ведущие индустриальные страны постоянно модернизируют литейное производство, при этом увеличивается доля литья из легких цветных сплавов и высокопрочных чугунных отливок по отношению к отливкам из стали и серого чугуна, происходит снижение массы отливок за счет повышения их качества и улучшения конструкции. В развивающихся стран с активно растущей экономикой объемы производства отливок за последние 20 лет выросли в разы, причем это относится не только к Китаю, который стал безоговорочным лидером мирового производства литья, но и к таким странам, как Турция, Мексика, Индия, Бразилия, Вьетнам и др., таблица В1.

Таблица В1. Объем производства отливок в мире

Литейное производство способно выпускать не только массовые изделия с недостижимой в других процессах производительностью, но и уникальные отливки со сложнейшей геометрией и практически любых размеров от нескольких граммов до сотен тонн из широчайшей гаммы сплавов с самыми разнообразными свойствами.

В современном литейном производстве сегодня широко используются аддитивные и цифровые технологии, нано материалы и композиты. В технологических процессах стала использоваться робототехника и элементы искусственного интеллекта (техническое зрение, дистанционный контроль), а также системы автоматизированного управления технологическим процессом и организацией производства.

Конечно, модернизация производства, замена оборудования, внедрение и освоение новых технологий требуют немалых затрат, но и окупаются такие инвестиции довольно хорошо, так как литейное производство – одна из наиболее динамично развивающихся отраслей машиностроения с одним из наиболее коротких сроков окупаемости. Недаром многие ведущие американские, японские, европейские компании, такие, как «Norican Group», «Fritz Winter», «Georg Fischer» и др., каждые 7–10 лет проводят полную модернизацию своих литейных цехов, придерживаясь правила: «систематическое обновление технологического оборудования и технологий –залог экономической эффективности и безопасности производства».

Несмотря на сложившиеся негативные стереотипы, современное литейное производство обладает значительным экологическим потенциалом: литейное производство –единственный вид промышленного производства, основным исходным сырьем для которого служит вторичное сырье –лом и отходы металлов и их сплавов. Литейное производство способное перерабатывать и повторно использовать практически все собственные отходы, включая свою же бракованную продукцию, а также и отходы смежных производств: штампового, термического, сварочного, механообрабатывающего, сборочного и т. д.

Аналогичным образом выглядит ситуация и с экологическими параметрами литейного производства. Выбросы, образующиеся в процессе реализации литейных технологий, отнюдь не являются уникальными или экстремальными ни по объемам, ни по токсичности. По индексу экологической опасности, рассчитанному по отношению к валовой продукции, литейные цеха находятся даже не в первой десятке, на порядок уступая предприятиям цветной и черной металлургии, химической и нефтехимической промышленности, микробиологическим и теплоэнергетическим предприятиям, предприятиям дерево обрабатывающей и целлюлозо-бумажной промышленности. Современные системы пыле газоочистки позволяют эффективно бороться практически с любыми выбросами, улавливать взвешенные частицы даже микронного размера с эффективностью до 99,9%, обеспечивая снижение концентраций пыли до 2 мг/м3, адсорбировать и обезвреживать практически любые газообразные загрязняющие вещества, включая SO2, NOx, углеводороды, CO, диоксины и пр. Надо только уделять вопросам очистки выбросов должное внимание и не игнорировать экологические требования и достигнутый уровень развития техники.

Литейные цеха не являются источниками жидких отходов, не сбрасывают технологические и сточные воды. Отраслевыми нормами проектирования в литейных цехах предусмотрено использование только замкнутых систем водооборота, которые пополняются из хозяйственно-бытовых контуров только для компенсации потерь, связанных с испарением. Стандартной технологической практикой литейных цехов является восстановление и повторное использование формовочных песчано-глинистых смесей и регенерация огнеупорного наполнителя отверждаемых литейных смесей. В большинстве цехов перерабатываются и повторно используются огнеупорные футеровочные и теплоизоляционные материалы. Причем степень регенерации и процент повторно используемых формовочных и футеровочных материалов постоянно увеличивается и на передовых предприятиях достигает 80–90% и более. Постоянно ведутся исследования, направленные на переработку и утилизацию металлосодержащих отходов: аспирационных металлосодержащих пыле, шламов металлообработки, окалины, металлургических шлаков и т. п. Некоторые из этих дисперсных отходов используются в качестве специальных добавок в формовочные и стержневые смеси (например, для создания легко отделимого пригара при изготовлении стальных отливок или для изменения теплопроводности стержневых смесей и снижения возникающих в них термических напряжений), в качестве компонентов экзотермических смесей и противопригарных красок и в качестве модифицирующих добавок при плавке литейных сплавов и т. п.

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

На литейных предприятиях продукция получается в результате плавления исходного материала с последующей его заливки в форму, а затем затвердевания. Литейные цеха производят изделия широкого ассортимента: от компонентов двигателей до разнообразной тары пищевой промышленности. Литьём получают продукцию из чугуна, из алюминиевых деталей и стальных изделий и т.д. Для литейного производства используются: чугун – серый, ковкий и легированный; сталь – углеродистая и легированная; цветные металлы и их сплавы – медные, алюминиевые, цинковые, магниевые и др., таблица 1.1.

Таблица 1.1. Металлы и сплавы, применяемые в литейных процессах

Сплавом называют искусственный материал с металлическими свойствами, состоящий из двух или более компонентов, из которых, по крайней мере, один является металлом. В зависимости от количества компонентов различают двойные (бинарные), тройные и многокомпонентные сплавы. Сплавы могут иметь однородную структуру (гомогенные сплавы), а также состоять из нескольких фаз (гетерогенные сплавы.

Литейные сплавы производят на основе черных и цветных металлов. С их помощью в металлургии возможно получение бездефектных отливок заданной конфигурации с определенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Литейные сплавы подразделяют на три класса: чугун, сталь и цветные соединения.

Выбор сплава для литья – ключевой фактор, определяющий качество, прочность и долговечность конечного изделия. Разные металлы и их комбинации обладают особыми свойствами, такими как коррозионная стойкость, пластичность, твердость и теплопроводность.

Фундаментом науки о стали как сплава железа с углеродом является диаграмма – графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Диаграмма железо–углерод, рис.1.1—графическое изображение, показывающее фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации химических элементов в условиях равновесия.

Железо образует с углеродом химическое соединение – цементит Fe3C. Следовательно, компонентами данной диаграммы можно считать железо и цементит. Принципиально важным, для железоуглеродистых сплавов является то, что основной компонент – железо существует в двух аллотропических модификациях: объемно центрированного куба (Fe – ОЦК) и гранецентрированного куба (Fe – ГЦК).

Рис.1.3. Диаграмма железо–углерод

Обычно железо никогда не бывает абсолютно чистым, оно всегда содержит примеси. В настоящее время можно получить железо высокой чистоты, минуя доменную плавку, – железо прямого восстановления (примеси 0,01%), но чаще используют техническое железо (армко железо), которое содержит 99,8-99,9% железа и 0,1-0,2% примесей. Железо имеет высокую температуру плавления – 1539°С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911°С и 1392°С. При температуре ниже 911°С существует Fe с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911-1392°С устойчивым является Fe с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Fe или высокотемпературное Fe. Высокотемпературная модификация Fe не представляет собой новой аллотропической формы. При температуре ниже 768°С железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно (немагнитно). Точка Кюри железа 768°С обозначается А2. Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью. Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна. Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов. Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения. Цементитхимическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C), содержит 6,67% углерода. Температура плавления цементита точно не установлена (1250-1550°С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217°С. Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки. В зависимости от содержания углерода, железоуглеродистые сплавы делятся на два класса: стали и чугуны.

В зависимости от содержания углерода и структуры сталей различают: – техническое железо – сплавы, содержащие до 0,02% углерода. – доэвтектоидные стали – сплавы, содержащие от 0,02 до 0,8% углерода, – эвтектоидные стали – сплавы, содержащие 0,8% углерода, -заэвтектоидные стали – сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14% углерода. В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза представляет собой неограниченный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус АСD – от 0 до 6.67%С. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Твердые растворы. В данной системе имеются твердые растворы железа с углеродом на основе двух кристаллических модификаций железа. Они являются твердыми растворами внедрения, т.е. атомы железа занимают узлы пространственной решетки, а атомы углерода размещаются в междоузлиях. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в -железо. В феррите сохраняется кристаллическая решетка, ( -железа) – объемно-центрированный куб. Феррит занимает на диаграмме узкую область, примыкающую к железу QPG, имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006% при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,025% при температуре 727С (точка P). Углерод располагается в дефектах решетки. Свойства феррита близки к свойствам железа. Твердость феррита около 800–1000 МПа, предел прочности σв 250 МПа; σт 120 МПа, относительное удлинение (δ) до 50%, а поперечное сужение φ -до 80%. До температуры 768°С феррит ферромагнитен, выше – парамагнитен. Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в -железо. Значительно большую область на диаграмме железо-углерод занимает твердый раствор углерода в γ-железе с ГЦК-решеткой, который называется аустенитом. Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8% при температуре 727С (точка S), максимальную – 2,14% при температуре 1147С (точка Е). Аустенит имеет твердость 1700 – 2000 МПа (200-250 НВ), σв 50 – 80МПа, пластичен (относительное удлинение). При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

3. В результате фазовых превращений в твердом состоянии при малых скоростях охлаждения в стали образуются следующие структуры: перлит, феррит, вторичный цементит Ц2 и третичный цементит Ц3. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Ц1 выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Ц2 выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Ц3 выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

В процессе производства проводится заливка расплавленного материала в специальные формы. После охлаждения он принимает нужную форму и подвергается последующей обработке. Используются такие изделия в различных отраслях экономики: автомобилестроение; авиационная промышленность; машиностроение; стоматология; ортопедия; ювелирное производство.

За все время существования литейного производства было разработано много разных технологических решений с разными условиями отливки. Несмотря на то, что сталь и чугун происходят от одного сплава, характеристики и свойства у них разные. Основное различие – доля углерода в сплаве; пограничное значение: 2,14%. В стали углерода не больше 2,14 %, в чугуне его содержание увеличено от 2,14 до 6,67%. Включение углерода бывает в виде графита или цементита (карбида железа). В состав этих сплавов входят различные примеси и легирующие компоненты, помогающие улучшить их свойства. Температура плавления чугуна составляет 1150-1250℃, тогда как сталь плавится при 1500℃; при этом ее теплопроводность несколько ниже. Разница объясняется высоким содержанием углерода в чугуне. Сплавы отличаются и внешним видом. Сталь всегда выглядит более светлой, блестящей; оттенки чугуна более темные, матовые. Существует несколько видов этого продукта черной металлургии. Сплавы содержат постоянные примеси (кремний, марганец, серу, фосфор), иногда – легирующие добавки (никель, хром, алюминий, ванадий).

Чугунные сплавы остаются одними из самых востребованных в литейном производстве благодаря их высокой прочности, твердости и способности выдерживать большие механические нагрузки. Основные разновидности чугуна:

Серый чугун. Имеет хорошую литейную текучесть, низкую усадку при отливке и отличную обрабатываемость.

Высокопрочный чугун (сфероидальный графит). Сочетает прочность стали и литейные свойства чугуна, применяется в машиностроении.

Белый чугун. Отличается высокой твердостью и износостойкостью, но сложен в обработке.

Чугунные детали широко используются в станкостроении, трубопроводах, автомобильных блоках и других конструкциях, где требуется высокая устойчивость к износу и ударным нагрузкам.

Сталь – один из самых универсальных материалов для литья, обладающий высокой прочностью, пластичностью и устойчивостью к механическим повреждениям. В литейном производстве используются несколько типов стальных сплавов:

Углеродистые стали. Чем выше содержание углерода, тем прочнее, но менее пластичен сплав.

Легированные стали. Добавки никеля, хрома, молибдена и других элементов улучшают прочностные характеристики и коррозионную стойкость.

Нержавеющая сталь. Обладает высокой стойкостью к коррозии, используется в медицине, пищевой промышленности и строительстве.

Стальные сплавы применяются в строительстве, энергетике, судостроении и авиации, а также в производстве инструментов и деталей для тяжелой техники.

Медные сплавы (латунь, бронза) применяются там, где важны высокая теплопроводность, коррозионная стойкость и антимикробные свойства. Эти сплавы широко используются в следующих отраслях.

Электротехника. Медные сплавы обладают отличной электропроводностью.

Сантехника. Латунь устойчива к коррозии и подходит для трубопроводов.

Машиностроение. Бронза используется для подшипников, шестерен и втулок, широко применяются в авиастроении, автомобилестроении и машиностроении благодаря их малому весу и высокой прочности. Они обладают отличной коррозионной стойкостью, хорошими литейными свойствами и высокой теплопроводностью.

Среди наиболее популярных алюминиевых сплавов для литья можно выделить:

1.Силумин (Al-Si). Обладает высокой жидко текучестью, что делает его отличным выбором для сложных форм. Имеет хорошую коррозионную стойкость.

2.Al-Cu сплавы. Обладают высокой прочностью, но подвержены коррозии, поэтому часто используются с дополнительной защитой.

3.Al-Mg сплавы. Применяются в судостроении и авиации благодаря высокой устойчивости к морской воде.

Главный недостаток алюминиевых сплавов– их относительно низкая твердость по сравнению с чугуном и сталью. Однако их легкость и устойчивость к ржавчине делают их незаменимыми в ряде отраслей.

Выбор сплава зависит от конкретных требований к изделию: прочности, устойчивости к коррозии, теплопроводности и стоимости. Алюминий, чугун, сталь и медь – каждая из этих групп материалов имеет свои преимущества, что позволяет находить оптимальные решения для различных отраслей промышленности.

Литье металлов – производственный процесс, основанный на технологии заливки расплавленного, горячего металла в специальные литейные формы, в результате которого получают литые заготовки – отливки. Полость формочек повторяет конфигурацию будущих заготовок и представляет собой рабочую часть литейной формы, куда поступает жидкий металл. Здесь будущие заготовки охлаждаются, затвердеют и получают вид конечной продукции. До поставки потребителю алюминиевые отливки проходят механическую обработку (токарные работы, фрезерование, шлифование и полировка).

Такой способ применяется для получения алюминиевых отливок, которые за счет уникальных химических свойств используются во многих сферах: в приборостроении, в строительстве, в автомобилестроении, мебельном производстве (фурнитура и декоративные детали) и пр. Для их получения применяются различные технологии, выбор которых зависит от размеров, конфигурации и других показателей, требуемых от конечной продукции.

При изготовлении отливок роль основного инструмента выполняет литейная форма. Литейная форма – это система элементов, образующих рабочий объем плоскости, при заливке которого расплавленным металлом формируется отливка. На рис.1.2, показана литейная форма для тройника.

Литейная опока – приспособление для удерживания формовочной смеси при изготовлении формы. Для образования полостей, отверстий или иных сложных контуров в формы устанавливают литейные стержни 1 (рис.1.2, в), которые фиксируют с помощью выступов (стержневых знаков), входящих в соответствующие впадины в форме. Литейные стержни изготовляют по стержневым ящикам (рис.1.2, д). Для подвода расплавленного металла в полость литейной формы, ее заполнения и питания отливки при затвердевании используют литниковую систему 8 – 12. После заливки расплавленного металла, его затвердевания и охлаждения форму разрушают, извлекая отливку (рис.1.2, е).

Рис. 1.2. Литейная форма и ее элементы: а – литейная форма; б – тройник; в – литейный стержень; г – литейная модель; д – стержневой ящик; е – отливка с литниковой системой

По виду материалов, используемых для изготовления литейных форм, их разделяют на две группы: формы из неметаллических материалов и металлические формы. К первой группе относят песчаные формы (сырые, сухие, подсушенные, химически твердеющие и т.д.). Песчаные формы, изготовленные без связующего по пено полистироловым моделям или пленочно-вакуумной формовкой, при этом формы, изготовленные по разовым моделям, и др. Эти формы, как правило, используют для изготовления отливок один раз и разрушают при извлечении отливок.

Вторая группа литейных форм представляет собой формы многократного использования. К этой группе относят кокили – металлические формы, прессформы для литья под давлением, кристаллизаторы для непрерывного литья, изложницы для центробежного литья и др. Многообразие современных литейных форм дает возможность изготовлять различные по массе, конфигурации, точности и свойствам металла отливки из любых сплавов.

Основные свойства литейной формы. В период заливки расплавленного металла, затвердевания и охлаждения отливки происходят силовое, тепловое и химическое взаимодействия между отливкой и формой. Силовое воздействие на форму проявляется в гидростатическом давлении залитого металла на стенки формы, что может приводить к ее разрушению. Вследствие трения заливаемого металла о стенки полости формы последние могут размываться. Кроме того, форма испытывает динамическое воздействие потока металла при смене им направления движения. При усадке отливки отдельные части формы будут препятствовать ее усадке. Сопротивление формы усадке может вызвать в отливке такие напряжения, которые приведут к образованию трещин. Тепловое воздействие во время заливки металла, его затвердевания и охлаждения отливки проявляется в переходе теплоты от отливки к форме. Отливка при этом охлаждается, а форма нагревается. Если огнеупорность формы ниже, чем температура расплава, то поверхность формы начнет расплавляться и спекаться с расплавом, образуя на поверхности отливки пригар. Пригар – трудноотделимый от поверхности отливки слой из металла, его оксидов и частиц формовочной смеси, который ухудшает поверхностный слой отливки, увеличивает трудоемкость ее очистки. По сечению формы возникает перепад температур, который приводит к возникновению в ней напряжений, вследствие чего форма подвергается дополнительным механическим нагрузкам. В результате развития процессов теплопередачи начинает повышаться температура наружной поверхности формы, и с этого момента теплота от формы отводится в окружающую среду.

Химическое воздействие заливаемого металла с материалом формы проявляется в химических превращениях компонентов формовочной смеси под воздействием высокой температуры заливаемого металла в форму и в химическом взаимодействии оксидов залитого металла с формой. Например, оксиды железа взаимодействуют с оксидами кремнезема формы, образуя жидкоподвижное соединение (файялит) с низкой температурой плавления. Это приводит к снижению огнеупорности формы на границе контакта металла с формой. Особенно неблагоприятно проявляется химическое взаимодействие на участках формы, через которые металл протекает длительное время. При химическом взаимодействии металла и формы испаряется влага и вокруг отливки образуется определенная газовая среда, состав которой оказывает существенное влияние на образование пригара и газовых раковин.

Силовое, тепловое и химическое взаимодействия заливаемого металла и формы позволяют сформулировать основные свойства, необходимые литейной форме. Литейные формы должны обладать следующими свойствами:

–достаточной прочностью, при которой конфигурация и размеры формы не изменяются в процессе заливки металла, во время кристаллизации отливки и ее последующего охлаждения;

–достаточной податливостью, т.е. форма не должна оказывать сопротивления усадке отливки;

–достаточной огнеупорностью, т.е. форма должна обладать достаточной прочностью при высокой температуре и химической устойчивостью к заливаемому металлу;

–высокой газопроницаемостью, т.е. форма должна беспрепятственно пропускать через себя газы и пары влаги, образуемые при заливке расплавленного металла.

В литейных процессах поведение металлов и сплавов определяется их литейными свойствам и, наиболее важные среди них: жидко текучесть, малая усадка при кристаллизации, небольшая ликвация. Литейные свойства зависят главным образом от температуры и химического состава расплава.

Для того чтобы при заливке расплава в формы и его последующей кристаллизации не появлялись раковины, трещины и прочие изъяны, сплав должен удовлетворять ряду важных требований, касающихся его текучести, усадки, газопоглощения и ликвации, а также склонности к растрескиванию

Жидко текучесть. Эта характеристика описывает, насколько хорошо расплав течет по каналам литейных форм. От данного параметра зависит заполнение полостей и точное воспроизведение контуров отливок. Чем выше жидко текучесть литейного сплава, тем он более пригоден для отливки изделий сложной конфигурации.