Отлиты в формы.

Сущность литейного производства состоит в получении отливок -литых металлических изделий путем заливки расплавленного металла или сплава в литейную форму.

Первые литые изделия получали еще в III—II тысячелетиях до н. э. сначала из бронзы, позже из чугуна. Значительное развитие литье из чугуна получило примерно с XIII—XIV вв. 

Стальные отливки начали получать в XIX в., литые детали из алюминиевых и магниевых сплавов — несколько десятков лет назад. В настоящее время в литейном производстве применяют мложество самых различных сплавов.

Значение литейного производства исключительно велико. Нет ни одной отрасли машиностроения и приборостроения, где не применяли бы литые детали. В машиностроении масса литых деталей составляет около 50% массы машин и механизмов, в станкостроении — около 80%, в тракторостроении — около 60%. Это объясняется рядом преимуществ литейного производства по сравнению с другими способами получения заготовок или готовых изделий. Литьем получают детали как простой, так и очень сложной формы, Которые нельзя или очень трудно получить другими способами. Во многих случаях это наиболее простой и дешевый способ получения изделий. Масса деталей колеблется от нескольких граммов до нескольких сот тонн.

Некоторые специальные способы литья позволяют получать отливки с высокой чистотой поверхности и точностью по размерам, что резко сокращает или исключает совсем их последующую механическую обработку. Кроме «традиционных» литейных сплавов: чугуна, стали, бронзы, литье все шире применяют для изготовления изделий из нержавеющих и жаропрочных сталей, магнитных и других сплавов с особыми физическими свойствами,

Широкому развитию литейного производства, особенно за последнее десятилетие, способствует совершенствование старых и появление новых способов литья, непрерывно повышающийся уровень механизации и автоматизации технологических процессов.

Первые формы для литья делали из камня или глины. Примерно с конца XVIII в, литейные формы начали изготавливать из специально приготовленной увлажненной смеси песка и глины. В настоящее время существует более ста различных способов изготовления литейных форм и получения отливок. Около 60% от всей массы чугунных и стальных отливок получают в песчано-глинестых формах (в сырые формы 42%, в сухие 18%). Этим способом получают как мелкие, так и очень крупные отливки, литые детали простой и сложной формы не только из чугуна стали, но также из различных цветных сплавов. 

 Прогрессивные способы получения отливок в формах, изготовленных из специальных смесей, например самотвердеющих:жидких, пластичных, имеют существенные технико-экономические преимущества по сравнению с литьем в песчано-глиянстые формы.

В литейном производстве широко применяют специальные способы литья: в металлические формы {кокли), центробежное литье, литье под давлением, литье по выплавляеиым моделям и др. 

 Такими способами можно получать отливки высокой точности, с минимальными допусками по размерам, с высокой чистотой поверхности. Это сокращает или совсем исключает механическую обработку на металлорежущих станках, дает экономию металла, особенно важную при использовании дорогостоящих и дефицитных сплавов, снижает трудоемкость и стоимость детали.  

В Китае гораздо раньше, чем в Европе, научились выплавлять жидкий чугун и отливать его в формы.

Предание гласит, что в VII в. н. э. некий монах Чен Гун должен был отлить гигантскую фигуру Будды высотой около 20м. Он приступил к работе двадцатилетним юношей и двадцать лет подготавливал первую отливку, но она не удалась. Сорокалетний мастер опять принялся за работу, а достигнув шестидесяти лет, предпринял вторую попытку отлить статую. Но счастье снова ему изменило. Когда же в третий раз подготовка подошла к концу и оставалось только залить форму, восьмидесятилетний старец бросился в расплавленный металл, чтобы умилостивить небеса. Боги благосклонно приняли такую жертву, и статуя получилась безупречной. К сожалению, до нас не дошло ни одной фигуры Будды подобных размеров. Но если судить по другим крупным отливкам древних китайских мастеров, то нужно признать, что легенда несколько преувеличивает труды монаха Чен Гуна (как, впрочем, и положено легенде). Несомненно, фигуру таких размеров нельзя было отлить целиком, а только по частям. Однако это ни в коей мере не умаляет заслуг древних литейщиков, а скорее, наоборот, свидетельствует о высоком уровне литейной технологии в те далекие времена.

Бронза и чугун в Древнем Китае служили излюбленными материалами для литья монументальных фигур.

С тех пор как древние сыродутные печи, постепенно увеличиваясь в размерах, превратились в домны, металлурги отказались от прежнего прямого способа получения железа и стали из руды. 

Из продукта доменной плавки—расплавленного чугуна с большим содержанием углерода — сталь можно получить только путем повторной плавки и очистки. 

Но оказалось, что чугун можно и непосредственно заливать в формы, благодаря чему он тоже стал важным конструкционным материалом. 

Именно из чугуна, а не из стали был сооружен 

первый металлический мост через реку Северн в Англии в 1779 г.. 

   Техническим шедевром Лондонской всемирной выставки 1851 года был «Кристалл-палас» — гигантское даже по теперешним представлениям здание из чугуна и стекла длиной 554 м и высотой 42 м. Его 2300 чугунных балок имели общий вес 3500 т (а стальные элементы — только 550 т). До сих пор на старых вокзалах можно увидеть чугунные колонны и балки. Но по мере технического прогресса чугун находил и другие области применения, в первую очередь в машиностроении, где во многих случаях он оказался выгоднее прочих конструкционных материалов.

Развитию научных основ литейного производства во многом способствовали работы:

П. П. Аносова ,Д. К. Чернова и других ученых.

Чем же отличается чугун от стали? Прежде всего он содержит гораздо больше углерода (2—4%), тогда как в конструкционных сталях содержание углерода измеряется десятыми долями процента. 

Если в стали углерод химически связан с железом и присутствует в виде карбида железа (цементита), то в чугуне углерод находится в своей элементарной форме — в виде графитных включений.

Структура чугуна состоит из зерен железа (феррит) и пластинок графита, крупных или мелких, которые распределены в так называемой металлической матрице, т. е. массе основного металла. Незначительная доля углерода и в чугуне может быть связана с железом в цементите; в этом случае матрица состоит из феррита и перлита, но форма и распределение графита остаются здесь такими же, как в ферритной матрице.

Графитные пластинки нарушают связность металлической матрицы в чугуне. Они ослабляют поперечное сечение детали или образца (потому что графит способен выдерживать только сжимающие, но не растягивающие нагрузки) и способствуют локальной концентрации напряжений при растягивающей нагрузке.

В силу этого неблагоприятного обстоятельства чугун, несмотря на большее содержание углерода, способен выдерживать меньшую растягивающую нагрузку, чем сталь. Под сжимающей нагрузкой чугун ведет себя лучше, так как графитные пластинки в поперечном сечении образца или детали воспринимают на себя соответствующую часть напряжений сжатия.

Чтобы улучшить прочность чугуна, следует либо воздействовать на его металлическую матрицу (подобно тому, как это делают со сталью), либо добиваться того, чтобы графитные включения присутствовали в нем в виде шариков, а не пластинок. Оба эти способа можно использовать и одновременно.

Чугун с шаровидным (сфероидальным, глобулярным) графитом представляет собой современный конструкционный материал, в котором сочетаются важные достоинства чугуна и стали: с одной стороны, он имеет хорошие литейные свойства, а с другой—его прочность на растяжение достигает примерно такого же уровня, как у стали. То же количество шаровидного графита занимает гораздо меньшую площадь в поперечном сечении, чем пластинчатого; кроме того, опасность концентрации напряжений на таком графите значительно уменьшается.

Как же добиться, чтобы графит в чугуне выделялся в виде шариков, а не пластинок?

Для этого расплавленный чугун обрабатывают (модифицируют) церием или магнием. В результате условия на границах раздела между расплавом и выпадающим из него при охлаждении графитом изменяются таким образом, что графитные включения приобретают округлую форму.

Как и углеродистая сталь, нелегированный чугун содержит кремний и марганец. Кремний способствует выделению графита, поэтому в чугуне содержание последнего составляет 2—3%. Марганец оказывает обратное действие: чугун, в котором много марганца, затвердевает белым, т.е. углерод в нем связан в цементите (термины «белый» и «серый» характеризуют внешний вид поверхности излома—графит придает излому серый цвет). Литейный чугун, как правило, содержит больше кремния и меньше марганца, чем передельный доменный чугун, предназначенный для производства стали.

Но выделение графита (графитизация) в чугуне существенно зависит и от условий затвердевания. При быстром затвердевании образуется преимущественно цементит, при медленном— графит. Технолог-литейщик должен тщательно учитывать это обстоятельство, потому что стенки отливки часто имеют разную толщину и поэтому в них создаются разные условия затвердевания. В песчаных формах тепло отводится медленнее, чем в металлических (кокилях); соответственно и условия затвердевания в этих случаях различны.

Текучесть расплавленного чугуна в большой степени зависит от содержания в нем фосфора и серы. Фосфор делает расплав более текучим, и тогда чугун хорошо заполняет внутренность формы, включая ее мелкие изгибы. Поэтому для художественного литья чаще всего используют чугун с повышенным содержанием фосфора. Наличие серы в чугуне, напротив, нежелательно, поскольку она не только увеличивает вязкость расплавленного чугуна, но и ухудшает свойства отливок. Правда, чугун не так чувствителен к сере, как сталь, потому что в нем всегда имеется достаточно марганца, связывающего серу.

Важными преимуществами чугуна по сравнению со сталью являются его относительно низкая температура плавления (приблизительно на 100° С ниже, чем у стали), превосходные литейные качества, а также некоторые специфические эксплуатационные свойства. 

Среди последних следует отметить лучшую, чем у углеродистых сталей, стойкость к износу и коррозии, но прежде всего способность демпфировать (т. е. ослаблять) механические колебания. По этой причине чугун широко используется для изготовления станин, стоек и несущих конструкций вращающихся машин, которые должны работать без вибрации. Наряду с конструкционным литейным чугуном находят применение и другие чугуны специального назначения. Безграфитный отбеленный чугун, получаемый путем соответствующего легирования при определенных условиях затвердевания, обладает очень высокой износостойкостью. Из него делают, например, валки для сталепрокатных станов.

Ковкий чугун получают путем длительного отжига отливок из отбеленного чугуна.

 При этом свободный углерод частично выгорает (происходит обезуглероживающий отжиг) либо связанный углерод выделяется из распадающегося цементита и остается внутри отливки в виде хлопьев или чешуек (углерод отжига). Типичное применение ковких чугунов—изделия небольшого веса, например водопроводные или газовые тройники, муфты, краны. Следует заметить, что название «ковкий чугун» условно, оно отражает только некоторое свойство чугунов этого класса, а именно большую пластичность. Изделия из этих чугунов получают литьем, а не ковкой.

Наконец, необходимо упомянуть и стальное фасонное литье (фасонным литьем называют процесс изготовления деталей путем отливки в формы в отличие от разливки стали на слитки в изложницы). Возможность отливать сталь в формы появилась тогда, когда металлурги научились ее плавить. Отливки получают как из углеродистых, так и из многих легированных сталей. Особенно велико значение такой технологии для тех легированных сталей, которые с трудом поддаются горячей и холодной обработке давлением.

Литейные сплавы железа составляют важную промышленную группу материалов. 

Правда, с развитием техники на смену литью для изготовления конструкций в ряде случаев приходят новые решения, в частности штамповка, сварка и т.д. 

Но без сомнения  литье сохранит свое прочное место в технике и в будущем.

Знания даны для всех !  С^© А.Гальперин  2006