Литье металлов

ЛИТЬЕ МЕТАЛЛОВ

5.1. ЛИТЕЙНЫЕ  СПЛАВЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ 

ПРОЦЕССОВ ЛИТЬЯ 

Литьем называется технологический  процесс получения готовых 

изделий или полуфабрикатов, заключающийся  в заполнении 

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

Металлургическое производство возникло на заре развития 

человеческого общества, но для литья  готовых изделий металл стали  использовать

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

Научные основы металлургии заложил  великий русский ученый М.В. 

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

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

производства как черных, так  и цветных металлов.

Металлы и сплавы, используемые для  изготовления отливок деталей

СП, должны:

обладать хорошими литейными свойствами (высокой жидкотеку-

честью, малыми усадкой, склонностью  к образованию трещин и 

поглощению газов и т.п.);

обеспечивать получение в отливке  определенных 

физико-механических свойств и возможность обработки режущими инструментами;

быть технологичными в условиях массового производства;

обладать стабильностью структуры  и свойств в течение всего  периода 

эксплуатации отливки.

Поскольку изделия, изготовляемые  методами литья, используются в

эсновном в качестве корпусных  деталей светильников, работающих в 

сложных атмосферных условиях (например, при освещении 

сельскохозяйственных помещений, шахт, промышленных предприятий), то 

требования к литейным сплавам  предъявляются весьма жесткие. Они

должны обладать высокой прочностью, коррозионной стойкостью и 

легко обрабатываться.

Литейные сплавы получают методом  вторичного переплава металлов

после первичной металлургической плавки. Так, литейный алюминий

получают главным образом электролизом глинозема [42],

Общепринятая классификация литейных сплавов приведена на

рис. 5.1. В светотехническом производстве преимущественное 

распространение получило литье деталей  из алюминиевых сплавов. Литье 

черных металлов используется редко, в основном для получения оснований

бытовых светильников (торшеров, настольных ламп), корпусных 

деталей специальных СП и др. Несколько  большее распространение 

получило литье сплавов на основе меди для деталей арматуры 

высокохудожественных бытовых  светильников.

Алюминиевые сплавы. Для получения  отливок в светотехническом

производстве в основном используются сплавы на основе системы 

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

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

Наибольшее распространение получили сплавы системы алюминий-

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

свойства. Наиболее вредной примесью для силуминов является железо.

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

кристаллизующиеся в виде пластин, железо существенно снижает пластические

свойства сплавов. Для нейтрализации  вредного влияния железа в сплав 

вводят марганец.

Сплавы системы алюминий—магний  отличаются низкой плотностью и 

высокими коррозионной стойкостью и прочностью. Они используются

для деталей специальных светильников, испытывающих большие вибра-

 

ционные нагрузки или подвергающиеся воздействию морской воды. 

Изготовление отливок из этих сплавов  вызывает определенные 

технологические трудности из-за их пониженной жидкотекучести.

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

коррозионной стойкостью и недостаточной  пластичностью, но они 

хорошо обрабатываются резанием. Детали из таких сплавов применяются 

для корпусных деталей промышленных светильников для нормальных

условий, среды. Механические и эксплуатационные свойства этих 

сплавов улучшают присадки марганца и титана. Значительно реже применяют 

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

или сложнолегированные системы.

При проектировании технологических  процессов литья алюминиевых 

сплавов следует учитывать, что  они склонны к газопоглощению. 

Особенно энергично в них  растворяется водород, что приводит к получению 

отливок с газовой пористостью и раковинами. Наиболее эффективным

способом предохранения расплава от окисления и поглощения водорода

является плавка под флюсом. В  качестве пркровного флюса обычно 

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

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

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

Помимо этого следует иметь  в виду, что технологические свойства

литейных алюминиевых сплавов  зависят от их химического состава,

что необходимо учитывать при назначении марки сплава для 

изготовления конкретных деталей. Технологические особенности некоторых 

литейных алюминиевых сплавов  приведены в [3].

Черные металлы. При изготовлении некоторых деталей СП, например

оснований торшеров, используется литье  черных металлов. Наиболее

распространенным материалом для  этих целей является чугун, 

обладающий хорошими технологическими свойствами и относительной 

дешевизной по сравнению с другими  литейными сплавами. Чугун — это 

многокомпонентный сплав железа с  углеродом и другими элементами, 

который по химическому составу  классифицируют на простой и 

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

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

Легированные чугуны содержат несколько большее количество кремния

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

Ni и т.д.).

Для изготовления некоторых корпусных  деталей специальных СП

используется стальное литье. Сталь - это железоуглеродистый сплав,

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

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

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

создания специальных свойств. По структуре стали делят на углеродистые

и легированные. Наибольшее распространение  получили отливки из

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

Механические свойства некоторых  марок сталей ц чугунов для  литья 

приведены в [43].

Медные сплавы. При изготовлении деталей специальных СП, а 

также декоративных элементов высокохудожественных бытовых 

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

Медные сплавы имеют сравнительно высокие механические свойства,

хорошо противостоят коррозионному  воздействию агрессивных сред,

например морской воды, легко  обрабатываются резанием.

Бронзы подразделяются на оловянные  и безоловянные. Оловянные 

бронзы имеют хорошие литейные свойства, позволяющие получать 

сложные по конфигурации отливки, однако они весьма дороги и

применяются крайне ограниченно. Безоловянные бронзы по механическим, 

коррозионным и другим свойствам  превосходят оловянные, однако 

технологические их свойства хуже.

Латуни применяются в основном для фасонного литья. Они обладают

высокой коррозионной стойкостью и лучшими, чем бронзы, литейными

свойствами.

Механические свойства некоторых  марок бронз и латуней приведены 

в [43].

Классификация процессов литья. Все  виды литья по 

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

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

формы.

В светотехническом производстве литье  в песчано-глинистые формы 

применяется ограниченно. Наибольшее распространение получили спе-

49

циальные способы литья: литье  под давлением, литье по выплавляемым

моделям, литье в оболочковые  формы и др.

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

выплавляемым моделям) применяется  в мелкосерийном производстве в 

основном при изготовлении высокохудожественных арматур бытовых

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

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

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

в крупносерийном и массовом производствах  в основном при 

изготовлении корпусных деталей  промышленных, уличных и специальных 

светильников, а также прожекторов  разных типов, преимущественно из

алюминиевых сплавов.

Последние годы характеризуются расширением  производства точного 

литья, в частности, при производстве прожекторной техники дня 

наружного освещения спортивных и  архитектурных объектов, рудничного

взрывозащищенного электрооборудования, специальных 

светильников и др.

5.2. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ  ПРОИЗВОДСТВО 

К металлургическим процессам в  светотехническом производстве 

относят процессы приготовления расплавленного металла перед его 

заливкой в формы при литье.

Приготовление сплавов. Технологический  процесс приготовления 

сплавов складывается из приготовления  шихты, ее расплавления, 

очищения (рафинирования) расплава и подачи расплава в раздаточные

печи или ковши.

Шихтой называется смесь основных и вспомогательных материалов,

загружаемых в плавильную печь для  получения сплава определенного 

химического состава. Большинство  компонентов, входящих в состав

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

сплавленными (так называемые лигатуры). Применение лигатур 

позволяет при введении тугоплавких  компонентов, например.меди, не 

перегревать сплав, а также способствует равномерному распределению и 

лучшей растворимости компонентов  в сплаве. Легкоплавкие металлы, 

например магний, вводят непосредственно  в расплав.

Малая плотность алюминиевых сплавов  способствует образованию 

газовых раковин и пористости, так  как газы легко проникают в 

металлическую среду и насыщают ее. Алюминий легко окисляется. Очищать 

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

состоянии в расплаве, они в значительной степени влияют на качество

расплава.

При приготовлении алюминиевых сплавов особенно важное значение

имеют чистота исходных материалов и точность состава шихты. Нередко 

ничтожные количества вредных примесей значительно ухудшают 

механические свойства сплавов. Поэтому  при переплавке отходов 

производства необходимо очищать расплав от примесей и производить 

химический анализ.

Плавку и заливку алюминия производят при строгом соблюдении

температурного режима и постоянном и точном контроле нагрева 

сплава. Даже незначительное превышение температуры и излишнее 

выдерживание расплава при высокой температуре ведут к чрезмерному 

насыщению его газами и оксидами и Появлению усадочных раковин. Для 

удаления окислов и шлаков применяют  флюсы, действующие как 

химически, так и механически.

При составлении технологического процесса приготовления 

алюминиевого сплава следует придерживаться такого порядка; расплавление

до двух третей чушкового алюминия; присадка и расплавление 

лигатуры; присадка оставшегося чушкового  алюминия; присадка отходов и 

обрубленных литников; очистка расплава от оксидов путем добавки

флюсов и хорошего перемешивания  расплава; снятие шлака и оксидов 

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

пленка оксидов защищает расплав  от дальнейшего окисления); 

выдерживание расплава перед заливкой до требуемой температуры.

В качестве примера рассмотрим процесс  приготовления сплава АЛ-2:

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

2) расплавление чушкового алюминия  и нагрев расплава до 

температуры 850 °С;

3) добавление небольшими порциями кремния, завернутого в 

алюминиевую фольгу, с тем чтобы  кремний не покрылся оксидом 

алюминия;

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

Плавка медных сплавов. Для плавки латуни применяют медь 

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

вторичную латунь, литники и брак производства. Шихта должна быть 

рассчитана и взвешена согласно химическому анализу исходных материалов и 

марки латуни. Применение загрязненной шихты не допускается.

Перед загрузкой шихты печь подогревают до 700 °С и засыпают 

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

покрывают тонким слоем древесного угля. Медь по мере расплавления

перемешивают. Затем с поверхности  снимают шлак и порциями вводят

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

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

пробы на химический анализ разливают.

Плавильные и раздаточно-подогревательные печи. Такое разделение

печей для расплавления металла связано с технологическими 

особенностями их применения. В плавильных печах производится собственно

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