Литьё, получение изделий (отливок) в результате заливки в форму расплавленных (металлы и сплавы, горные породы, керамические материалы) или размягчённых до вязкотекучего состояния (пластмассы, компаунды, резиновые смеси и др.) материалов, которые после затвердевания приобретают конфигурацию внутренней полости формы. Для литья металлических изделий применяют литейные формы, для изделий из полимерных материалов – формы, называемые литьевыми. Литьё позволяет получать изделия (которые часто также называют литьём) практически любой сложной конфигурации с минимальными припусками на обработку (например, резанием), а также высокими эксплуатационными свойствами. Развитие технологий литья исторически связано с изготовлением металлических изделий, для получения которых разработано свыше 50 способов; некоторые из них рассмотрены ниже.

Технология литья

Литьё представляет собой сложный комплекс последовательных технологических процессов: изготовление литейной формы и литейных стержней, заливка расплавленного металла (сплава) в литейную форму через каналы литниково-питающей системы, извлечение охлаждённой отливки из формы; затем, после удаления литниковой системы, отливку направляют на очистку, механическую обработку (если необходимо) и контроль.

Изготовлению литейной формы предшествует длительная стадия, включающая математический расчёт и разработку чертежей отливки, литейной модели (если при литье предусматривается использование модели), литейных стержней, а также изготовление модели и стержней. Математический расчёт и разработка чертежей могут выполняться при помощи компьютерного моделирования. Для литья используются: чугун – серый, ковкий и легированный; сталь – углеродистая и легированная; цветные металлы и их сплавы – медные, алюминиевые, цинковые, магниевые и др.

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

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла заполнять самые тонкие части форм.

Усадка – уменьшение объёма (линейных размеров) металла при кристаллизации. При большой усадке в отливках возникают внутренние напряжения, которые могут привести к образованию трещин, а также усадочных раковин, рыхлости в местах позднего застывания металла.

Ликвация возникает при кристаллизации в результате перемещения легкоплавких составляющих сплава в наиболее массивные части отливки. Ликвация заметно ухудшает качество отливок. Скорость охлаждения расплава, размер и конфигурация отливки существенно влияют на тепло- и массообмен, полноту протекания диффузионных процессов по фронту кристаллизации.

Для расплавления применяется плавильное оборудование, в основном электрические печи; выплавку сплавов цветных металлов проводят также в тиглях, электрических печах сопротивления и др. В зависимости от технологии изготовления отливок плавильные печи разделяются на вакуумные и открытые. Вакуумные печи состоят из вакуумной камеры, в которой расположены плавильный узел с индуктором, печи подогрева форм, устройства для установки холодной формы или изложницы. Печи оснащены вакуумными насосами, системой водяного охлаждения узлов и агрегатов печи, а также системами электронного обеспечения и управления. Вакуумные печи позволяют производить также выплавку в защитной атмосфере (инертные газы: аргон, азот и др.).

Печи для открытой выплавки подразделяются на газовые, индукционные и дуговые. В газовых печах расплавление металла происходит за счёт тепловой энергии, выделяющейся при горении природного газа. Газовые печи применяются только для материалов с относительно невысокой температурой плавления (например, для литья алюминиевых и магниевых сплавов). Индукционные и дуговые печи используются для литья преимущественно чугунов и сталей. В индукционных печах при плавке происходит активное перемешивание расплава за счёт электромагнитных полей, создаваемых индуктором, что способствует получению равномерного химического состава сплавов и отсутствию ликвации. Дуговые печи, как правило, изготовляются большой ёмкости (для выплавки за 1 цикл свыше 1 тыс. кг). Плавка в дуговых печах происходит быстрее, чем в индукционных. Однако в дуговых печах может происходить выгорание легкоплавких легирующих элементов сплава, т. к. в процессе расплавления в зоне горения дуги температура очень высокая.

Способы литья многообразны, поскольку невозможно одинаковыми методами изготовлять отливки, различающиеся по размерам, сложности конфигурации, свойствам применяемых сплавов и назначению. Существует несколько способов заливки металла в формы:

• свободная заливка – металл занимает форму под действием гравитационных сил;

• заливка во вращающуюся форму – металл занимает форму под влиянием центробежной и гравитационных сил;

• заливка давлением (с применением литейных машин), заливка вакуумным всасыванием и др.

Литьё в разовые песчаные (песчано-глинистые) формы – наиболее простой и распространённый способ, который применяется для изготовления заготовок любых размеров и конфигурации из различных сплавов. Однако данные отливки не отличаются чистотой поверхности и точностью размеров. В связи с этим широкое распространение получили специальные способы литья: по выплавляемым моделям, в кокиль, в оболочковые формы, под давлением, центробежное, вакуумное и др. Перечисленные способы (точного литья) позволяют получать отливки повышенной точности, с чистой поверхностью, минимальными припусками на обработку, а иногда и полностью исключающие её. Получение отливок этими способами осуществляется на автоматизированных или автоматических литейных установках и линиях, которые отличаются (в сравнении с литьём в песчаные формы) меньшими материало- и энергоёмкостью и трудозатратами.

Способ литья по выплавляемым моделям в оболочковой форме, рабочая полость которой образована удалением литейной модели выплавлением (отсюда и название способа), выжиганием или растворением. Способ обеспечивает получение сложных по форме отливок массой от нескольких граммов до десятков килограммов, со стенками толщиной от 0,5 мм, с чистой поверхностью и с высокой точностью размеров по сравнению с другими способами литья. Размеры отливок, полученных этим способом, максимально приближены к размерам готовой детали. Этот способ литья, являясь одним из древних, нашёл широкое промышленное применение. Именно этим методом изготовляют художественные отливки, ювелирные изделия, зубные протезы и другие изделия.

Широкое распространение в промышленности получили способы литья в многократно используемые металлические формы, к ним относятся: литьё в кокиль, центробежное литьё, литьё под давлением, литьё в вакууме и др.

При литье в кокиль (кокильное литьё) заполнение формы расплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия на жидкий металл, а лишь под действием силы тяжести. Основные операции и процессы: очистка кокиля от старой облицовки, прогрев его до 200–300 °C, покрытие рабочей полости новым слоем облицовки, простановка стержней, закрывание частей кокиля, заливка металла, охлаждение и удаление полученной отливки. В кокилях получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых и других сплавов; процесс особенно эффективен для алюминиевых и магниевых сплавов (имеющих относительно невысокую температуру плавления), поэтому один кокиль можно использовать до 10 тыс. раз.

Центробежное литьё – способ, при котором расплавленный металл растекается в нужных направлениях благодаря воздействию на него центробежных сил. Заливаемый металл отбрасывается к стенкам формы и, затвердевая, образует отливку. Этот способ литья широко распространён в промышленности при изготовлении пустотелых отливок со свободной поверхностью – чугунных и стальных труб, колец, втулок, обечаек и др.

В зависимости от положения оси вращения форм различают горизонтальные и вертикальные литейные центробежные машины. Горизонтальные машины наиболее часто применяют при изготовлении труб. При получении отливок на машинах с вертикальной осью вращения металл из ковша заливают в форму, укреплённую на шпинделе, приводимом во вращение электродвигателем. Центробежная сила прижимает металл к боковой цилиндрической стенке. Форма вращается до полного затвердевания металла, после чего её останавливают и извлекают отливку. Сложный рисунок внутренних стенок отливки выполняют при помощи стержней. Стенки форм для отливок со сложной наружной поверхностью покрывают формовочной смесью, которую уплотняют роликами, образуя необходимый рельеф. Отливки, изготовленные методом центробежного литья, по сравнению с отливками, полученными другими способами, обладают повышенной плотностью во внешнем слое.

Литьё под низким давлением начинается с нагнетания сжатого воздуха в плавильную печь. По подъёмной трубе расплавленный металл через литники попадает в форму. Давление в печи создаётся специальной системой. Несоблюдение оптимального режима (колебание давления) ведёт к «качанию» уровня металла в форме, вызывающему образование в изделии усадочных раковин, возникновение недоливов или неспаев, что равнозначно получению некачественной отливки (браку). Устройство регулирования давлением (благодаря пропорционально-клапанной системе) обеспечивает управляемое бестурбулентное наполнение формы, что является существенным преимуществом по сравнению с гравитационным способом (даже с усовершенствованной системой литниковых каналов).

При литье под высоким давлением (до 200 МПа) применяются пресс-формы, которые металл заполняет с большой скоростью, приобретая очертания отливки. Оформляющая полость формы соответствует наружной поверхности отливки с учётом факторов, влияющих на размерную точность. Кроме того, в пресс-форму входят подвижные металлические стержни, образующие внутренние полости отливок, и выталкиватели. Литьё производят на литейных машинах с холодной и горячей камерами прессования. Этот способ используется главным образом для алюминиевых, магниевых, цинковых и (реже) медных сплавов. Отливки получаются с высокой точностью и малой степенью шероховатости. После такого литья механическая обработка отливок требуется незначительная или вообще не нужна. Стоимость пресс-форм высокая, поэтому литьё под давлением применяют в массовом производстве с получением до тысячи отливок.

Вакуумное литьё – процесс, при котором заполнение жидким металлом полости литейной формы ведётся в вакууме. Принудительное заполнение формы металлом сопровождается полным удалением из неё газов, что позволяет получать тонкостенные, плотные и высококачественные отливки. Применяются различные способы вакуумного литья:

• вакуумное всасывание металла в форму, расположенную над расплавом, после чего кристаллизация происходит при атмосферном или повышенном давлении;

• вакуумное всасывание металла с использованием металлостатического давления (форма расположена под металлом);

• литьё в вакууме под давлением (в машине для литья под давлением при помощи вакуумированных пресс-форм);

• вакуумно-центробежная заливка и др.

Эта группа способов находит большое распространение в сочетании с вакуумной плавкой для производства фасонных отливок из специальных сталей и сплавов.

Широкое распространение также получило непрерывное литьё металлов и сплавов – процесс получения слитков и заготовок, основанный на равномерном перемещении металла относительно зон заливки и кристаллизации. При этом литейная форма может быть неподвижной или закономерно перемещаться (возвратно-поступательное движение с небольшой амплитудой, вращение, движение по замкнутой кривой ограниченной длины).

При этом способе литья равномерные скорости подачи жидкого металла, его кристаллизации и удаления готовой отливки обеспечивают постоянство состава, строения и свойств металла по всей длине отливки. В зависимости от формирующих отливку устройств различают непрерывное литьё в кристаллизатор, валки, жёлоб (ручей), между движущимися лентами. Наиболее распространено литьё в металлический кристаллизатор, которое применительно к производству стали получило название непрерывной разливки стали. Способом непрерывного литья отливают слитки алюминиевых и магниевых сплавов, а также большую часть слитков тяжёлых цветных сплавов.

Различают каменное и художественное литьё.

Историческая справка

Литьё в древности

Самые древние изделия (заготовки бусин, пластинчатых накладок и подвесок, рыболовных крючков и др.), отлитые из самородной меди в открытых формах и обработанные горячей ковкой, обнаружены при раскопках памятников докерамического неолита Ближнего Востока, датированных концом 8-го – 7-м тыс. до н. э. (Магзалия, Чайоню-Тепеси, Чатал-Хююк и др.). Литьё в разъёмные и составные каменные формы (орудия труда, оружие, украшения, предметы религиозного культа и др.) зарождается в энеолите Юго-Восточной Европы в системе Балкано-Карпатской металлургической провинции (5-е тыс. до н. э.). Литьё в закрытые каменные, глиняные и металлические формы и по выплавляемым моделям распространяется в раннем и среднем бронзовом веке в системах Протоциркумпонтийской и Циркумпонтийской металлургических провинций (4–3-е тыс. до н. э.), достигая расцвета в Старом Свете в позднем бронзовом (2-е – начало 1-го тыс. до н. э.) и раннем железном веках. Технология литья широко применялась в Средневековье.

Литьё в России

В России в 1479 г. построен первый литейный завод – «пушечная изба» (Москва). В царствование Ивана IV созданы литейные заводы в Туле, Кашире и других городах; при Петре I – литейные заводы на Урале, на юге и севере Российского государства. Одна из самых крупных отливок в мире, изготовленная в 1873 г. на Пермском заводе, – шабот (нижняя часть, воспринимающая удар) парового молота (650 т). Известно мастерство литейщиков старых русских заводов – Каслинского, Путиловского, Сормовского, Коломенского и др. До 19 в. при литье использовали ранее накопленный многовековой опыт мастеров. Лишь в начале 19 в. были заложены теоретические основы литейной технологии. В работах российских учёных П. П. Аносова, Н. В. Калакуцкого и А. С. Лаврова, Д. К. Чернова впервые научно объяснены процессы кристаллизации, возникновения ликвации и внутренних напряжений в отливках, намечены пути к повышению качества отливок.