Введение
Кастинг, как один из первых освоенных процессов горячей обработки металлов для человека, может похвастаться историей, насчитывающей около 6,000 годы.
Китай вступил в эпоху расцвета бронзового литья между 1700 до нашей эры и 1000 до нашей эры, с мастерством литья, достигающим довольно продвинутого уровня.
Как основной процесс в современном производстве, литье позволяет формовать металлические детали сложной формы, которые сложно изготовить ковкой или механической обработкой., и он широко применяется в аэрокосмической отрасли, автомобильный, техника, и точное приборостроение.
Выбор метода литья напрямую определяет качество литья., эффективность производства, и затраты на производство.
1. Зеленый песчаный кастинг (Обычное литье в песок)
Основное определение & Принцип процесса
Зеленый литье в песок является наиболее традиционным и широко используемым методом литья во всем мире..
Его основным сырьем является литейный песок. (преимущественно кварцевый песок; специальные пески, такие как цирконовый песок и корундовый песок, используются, когда кварцевый песок не соответствует требованиям к высоким температурам.) и связующие для песка (глина – самая распространенная; сухое масло, водорастворимый силикат, фосфат, и синтетические смолы являются альтернативными вариантами).
Внешние песчаные формы подразделяются на три типа в зависимости от связующих веществ и механизмов придания прочности.: форма для песка из зеленой глины, форма для сухой глины и песка, и химически связанная песчаная форма.
Расплавленный металл заливают в песчаную форму., который затвердевает с образованием отливок, а форма повреждается после однократной заливки и не подлежит повторному использованию.
Преимущества
- Экономичное сырье: Глина богата ресурсами и недорога.; над 90% использованного зеленого глинистого песка можно переработать и использовать повторно после обработки песка., сокращение отходов материалов.
- Высокая гибкость процесса: Короткий цикл изготовления пресс-форм и высокая эффективность; смешанный формовочный песок имеет длительный срок службы; он адаптируется к небольшим, большой, простой, и сложные отливки, а также цельные, мелкосерийный, и сценарии массового производства.
- Низкий порог оборудования: Не требует высококлассного специализированного оборудования, подходит для малых и средних литейных производств.
Недостатки & Ограничения
- Низкая эффективность производства: Каждую песчаную форму можно использовать только один раз и ее необходимо переформовать для последующих отливок., что приводит к низкой эффективности непрерывного производства.
- Плохая точность размеров: Жесткость песчаных форм низкая., в результате чего отливки имеют класс допуска CT10–CT13., которые не могут удовлетворить требования высокой точности.
- Высокий риск дефекта: Отливки склонны к типичным дефектам, таким как вымывание песка., включение песка, газовая пористость, и усадочная пористость из-за рыхлой структуры песчаных форм.
- Низкое качество поверхности: Поверхность отливки относительно шероховатая., требуется дополнительная механическая обработка для улучшения отделки.
2. Инвестиционное литье (Литье по выплавляемым моделям)
Основное определение & Принцип процесса
Литье по выплавляемым моделям, широко известное как литье по выплавляемым моделям, отличается сложным технологическим процессом:
изготовление восковых моделей с использованием легкоплавких материалов., нанесите несколько слоев огнеупорных материалов на поверхность рисунка, чтобы сформировать керамическую оболочку, расплавьте и удалите восковую модель, чтобы получить форму без разделения поверхностей, и выполнить высокотемпературный обжиг перед заливкой расплавленного металла.
Он применим к широкому спектру сплавов., в том числе углеродистая сталь, легированная сталь, жаропрочный сплав, нержавеющая сталь, медный сплав, алюминиевый сплав, титановый сплав, и пластичный железо, особенно для материалов, которые трудно обрабатывать ковкой или резкой.
Преимущества
- Отличная точность размеров: Допуск литья оценки достигают CT4–CT6, намного выше, чем литье в зеленый песок (CT10 - CT13) и сравнимо с литьем под давлением (CT5–CT7), минимизация обработки после литья.
- Высокая степень использования материала: Значительно сокращает объем обработки формованных и сопрягаемых поверхностей., экономия времени обработки и расхода режущего инструмента, с коэффициентом использования материала, превышающим 90%.
- Сильная адаптируемость формы: Может отливать чрезвычайно сложные компоненты, тонкостенные детали (минимальная толщина стенки 0,5 мм), и микроотливки (минимальный вес 1 г);
он также поддерживает комплексное литье собранных деталей, упрощение последующих процессов сборки. - Широкая совместимость сплавов: Подходит практически для всех металлических материалов., в том числе жаропрочные сплавы, магниевые сплавы, Титановые сплавы, и драгоценные металлы, которые трудно обрабатывать другими методами.
- Гибкий масштаб производства: Адаптируется к массовому производству, мелкосерийное производство, и даже штучная кастомизация, с сильной масштабируемостью.
Недостатки & Ограничения
- Сложная технологическая цепочка: Это самый сложный процесс среди всех методов литья., включая изготовление восковых моделей, оболочка оболочки, Depaxing, обжарить, и залить, требующий строгого контроля процесса.
- Ограниченный размер отливки: Не подходит для больших отливок.; максимальный вес обычных отливок по выплавляемым моделям обычно не превышает 50 кг., так как крупные раковины склонны к растрескиванию во время обжарки и заливки.
- Медленная скорость охлаждения: Керамическая оболочка имеет низкую теплопроводность., приводит к медленному затвердеванию расплавленного металла, что может вызвать крупнозернистую структуру в некоторых сплавах.
- Высокая стоимость производства: Стоимость восковых моделей, огнеупорные материалы, и контроль процесса относительно высок; экономически целесообразно только в сочетании с меньшими затратами механической обработки и экономией материалов..
3. Литье под давлением
Основное определение & Принцип процесса
Литье под давлением это метод литья под высоким давлением, который включает впрыскивание расплавленного металла в прецизионную полость металлической формы на высокой скорости. (10–50 м/с) под высоким давлением (20–150МПа), и затвердевание металла под давлением для получения отливок..
Имеет два основных процесса: Горячая камера (расплавленный металл автоматически перетекает в камеру давления) и литье под давлением в холодной камере (расплавленный металл вручную или автоматически заливается в напорную камеру).
Пресс-форма изготовлена из высокопрочной штампованной стали., обеспечение многократного использования.
Преимущества
- Превосходное качество продукции: Точность размеров отливки достигает 6–7 класса. (даже оценка 4 для прецизионных изделий) с шероховатостью поверхности Ra 5–8 мкм;
прочность и твердость на 25–30 % выше, чем у сырых песчаных отливок за счет затвердевания под давлением., хотя удлинение уменьшается примерно 70%. - Сверхвысокая эффективность производства: Горизонтальная машина для литья под давлением с холодной камерой может выполнять 600–700 циклов в час. 8 часы,
в то время как небольшая машина для литья под давлением с горячей камерой может достигать 3000–7000 циклов., намного превосходит другие методы литья. - Длительный срок службы пресс-формы: Формы для литья под давлением цинковых сплавов могут прослужить сотни тысяч и даже миллионы раз., сокращение долгосрочных производственных затрат.
- Простая автоматизация: Процесс полностью совместим с механизацией и автоматизацией., снижение трудозатрат и повышение стабильности производства.
- Отличные экономические преимущества: Отливки требуют минимальной механической обработки или вообще не требуют ее., улучшение использования металла и сокращение инвестиций в технологическое оборудование;
Комбинированное литье под давлением из металлических и неметаллических материалов экономит время сборки и сырье..
Недостатки & Ограничения
- Высокий риск дефектов газовой пористости: Высокая скорость заливки приводит к нестабильному течению расплавленного металла.,
легко улавливает газ, образуя внутреннюю пористость, что делает отливки неспособными подвергаться термической обработке (термическая обработка вызывает расширение газа и растрескивание). - Плохая адаптируемость к сложным внутренним вогнутым деталям.: Трудно демонтировать внутренние вогнутые сложные конструкции., ограничение конструкции литейных форм.
- Короткий срок службы формы для тугоплавких сплавов: Для тугоплавких сплавов, таких как медные сплавы и черные металлы., форма склонна к термической усталости и износу, существенно сокращает срок службы.
- Не подходит для мелкосерийного производства.: Стоимость изготовления пресс-форм высока., а высокая производительность машин для литья под давлением делает мелкосерийное производство экономически нецелесообразным..
4. Постоянное литье в форму (Литье в твердую форму)
Основное определение & Принцип процесса
Постоянное литье в форму, также называется литьем в твердую форму, включает заливку расплавленного металла в металлическую форму для формирования отливок..
Форма изготовлена из чугуна или литой стали и может использоваться повторно сотни и тысячи раз., отсюда и название «постоянная плесень»..
Во внутренней полости отливок могут использоваться металлические стержни или песчаные стержни., и конструкции пресс-формы разделены на горизонтальные проборы, вертикальный пробор, и композитное разделение для адаптации к различным формам отливки:
вертикальный разделитель облегчает сборку и распалубку, горизонтальная отрезка предназначена для тонкостенных деталей колесной формы., а составной отрезок предназначен для сложных компонентов.
Преимущества
- Отличная возможность повторного использования формы: «Одна форма для нескольких отливок» исключает необходимость повторного изготовления форм., экономия формовочных материалов и времени, и повышение эффективности производства.
- Высокая производительность литья: Металлическая форма имеет сильную охлаждающую способность., что приводит к плотной структуре отливки и превосходным механическим свойствам по сравнению с отливками в песчаные формы..
- Хорошая точность размеров и качество поверхности.: Классы допуска литья достигают IT12–IT14., шероховатость поверхности Ra ≤6,3 мкм, снижение нагрузки на постобработку.
- Улучшенные условия труда: Он использует мало песка или вообще не использует его., предотвращение загрязнения пылью и оптимизация рабочей среды для работников.
Недостатки & Ограничения
- Высокая стоимость пресс-формы и длительный производственный цикл.: Металлическая форма требует высокопрочных материалов и точной обработки.,
с высокими первоначальными инвестициями и длительным сроком поставки, непригоден для штучного и мелкосерийного производства. - Ограниченные применимые сплавы и размеры отливок: В основном подходит для массового производства отливок из цветных сплавов. (алюминиевые поршни, блоки цилиндров, головки цилиндров, втулки из медного сплава, и т. д.) для автомобилей, самолеты, и двигатели внутреннего сгорания;
для отливок из ферросплавов, применим только к деталям малого и среднего размера простой формы.. - Строгие требования к процессу: Пресс-форма нуждается в предварительном нагреве и контроле температуры, чтобы избежать холодного закрытия и растрескивания формы.; склонен к термической усталости после длительного использования, влияет на качество литья.
5. Литье под низким давлением
Основное определение & Принцип процесса
Литье под низким давлением — это метод литья, при котором форма заполняется и затвердевает расплавленный металл под низким давлением. (0.02-0,06 МПа).
Основной процесс включает в себя: заливка расплавленного металла в изолированный тигель, герметизация тигля, подключение стояка к форме, подача сухого сжатого воздуха в тигель для подачи расплавленного металла вверх через подъемную трубку для заполнения полости формы.,
затвердевание металла под постоянным давлением, сбросить давление, чтобы остаточный расплавленный металл мог стечь обратно в тигель, и наконец открываем форму, чтобы вынуть отливку.
Преимущества
- Гибкое управление процессом: Скорость подъема расплавленного металла и давление затвердевания регулируются., подходит для различных форм (Металлические формы, песчаные формы) и сплавы, а также отливки разных размеров.
- Стабильное заполнение и низкий процент дефектов: Заливка снизу вверх обеспечивает плавное течение расплавленного металла без разбрызгивания., предотвращение захвата газа и эрозии стенок и стержней формы;
значительно уменьшаются дефекты литья, такие как газовая пористость и шлаковые включения., с квалификационным рейтингом более 95%. - Качественное литье: Затвердевание под давлением реализует направленное затвердевание снаружи внутрь., в результате получается плотная структура отливки,
четкие контуры, гладкие поверхности, и превосходные механические свойства, особенно подходит для больших тонкостенных деталей. - Высокая степень использования материала: Не требуется подающий стояк, с коэффициентом использования материала, достигающим 90–98%, сокращение металлических отходов.
- Дружелюбная рабочая атмосфера: Низкая трудоемкость, простое оборудование, и легкая реализация механизации и автоматизации, соответствующие современным требованиям производства.
Недостатки & Ограничения
- Короткий срок службы стояка: Подъёмная труба в течение длительного времени находится в непосредственном контакте с высокотемпературным расплавленным металлом., склонен к окислению и износу, требующие регулярной замены.
- Риск загрязнения расплавленным металлом: При сохранении тепла, расплавленный металл легко окисляется и смешивается со шлаком, требующие строгого контроля за средой сохранения тепла и очистки расплавленного металла.
- Ограниченная область применения: В основном используется для литья высококачественных отливок из алюминиевых и магниевых сплавов., например, блоки цилиндров, головки цилиндров, картеры, и высокооборотные алюминиевые поршни двигателя внутреннего сгорания.; он редко используется для ферросплавов из-за высоких температурных требований..
6. Центробежный кастинг
Основное определение & Принцип процесса
Центробежное литье предполагает заливку расплавленного металла во вращающуюся форму., где металл заполняет форму и затвердевает под действием центробежной силы.
В зависимости от ориентации оси вращения формы, он делится на три типа: горизонтальное центробежное литье (ось горизонтальная или <4° в горизонтальное положение, подходит для длинных цилиндрических деталей),
вертикальное центробежное литье (ось вертикальная, подходит для коротких цилиндрических или кольцевых деталей), и наклонно-центробежное литье (используется редко из-за сложности эксплуатации).
Центробежная сила обеспечивает направленное движение расплавленного металла., оптимизация структуры отливки.
Преимущества
- Упрощенная конструкция пресс-формы: Для полых вращающихся деталей, нет ядра, стробирующая система, или нужен стояк, упрощение конструкции пресс-формы и снижение производственных затрат.
- Качественное литье: Центробежная сила отделяет газы низкой плотности и шлаки на внутреннюю поверхность.,
и способствует направленному затвердеванию снаружи внутрь, в результате получается плотная структура отливки, мало дефектов, и превосходные механические свойства. - Экономия затрат на биметаллические детали: Легко отливать биметаллические компоненты, такие как втулки и подшипники. (например, стальные гильзы с тонкой медной облицовкой), экономия дорогих цветных металлов при сохранении производительности.
- Сильная заполняющая способность: Центробежная сила повышает текучесть расплавленного металла., подходит для литья тонкостенных деталей и сплавов с плохой текучестью.
- Снижение отходов материала: Устраняет воротные системы и стояки, дальнейшее улучшение использования материалов.
Недостатки & Ограничения
- Плохое качество внутренней поверхности.: Внутренняя свободная поверхность отливок шероховатая., с большими погрешностями размеров и плохой однородностью, требующая последующей механической обработки для удовлетворения требований к размерам.
- Непригоден для некоторых сплавов.: Не применимо к сплавам с сильной сегрегацией по плотности. (например, свинцовая бронза), поскольку центробежная сила усугубит сегрегацию;
также не подходит для алюминиевых и магниевых сплавов из-за их низкой плотности и плохого эффекта центробежного разделения.. - Ограниченные формы литья: Подходит только для вращающихся симметричных деталей. (цилиндры, кольца, рукава); не может отливать детали сложной формы с неровными контурами.
- Высокие требования к оборудованию: Требуются специализированные машины центробежного литья со стабильным регулированием скорости вращения., увеличение инвестиций в оборудование.
7. Сравнительная таблица часто используемых методов литья
| Метод литья | Преимущества | Ограничения | Типичные применения |
| Литье в песок | Бюджетный, гибкий для мелких/крупных деталей, простые и сложные формы, перерабатываемый песок | Одноразовые формы → низкая эффективность, более низкая точность размеров, дефекты поверхности | Блоки двигателя, насосные корпусы, крупные детали конструкции |
| Инвестиции (Потерянный восков) Кастинг | Высокая точность (КТ4–6), отличное качество поверхности, сложные формы, тонкие стены, широкая совместимость материала | Высокая стоимость, сложный процесс, не подходит для очень больших деталей | Аэрокосмические компоненты, медицинские имплантаты, прецизионные автомобильные детали |
| Литье под давлением | Высокая точность размеров (КТ6–7), отличное качество поверхности, тонкостенные детали, высокая эффективность производства, удобный для автоматизации | Высокая стоимость оснастки, ограничено сплавными сплавами, риск пористости, не идеален для небольших партий | Детали автомобильного двигателя, корпуса, бытовая электроника |
Постоянная плесень (Металлическая форма) Кастинг |
Многоразовые формы снижают затраты, плотная микроструктура, высокая прочность, хорошее качество поверхности | Высокая стоимость пресс-формы, строгий контроль процесса, ограничено средней сложностью, преимущественно цветные сплавы | Алюминиевые поршни, головки цилиндров, Автомобильные корпусы |
| Литье под низким давлением | Гладкое наполнение, минимальная пористость, качественная плотная структура, высокая утилизация металла (90–98%), подходит для тонкостенных деталей | Ограниченный срок службы стояка/кабеля, риск окисления, преимущественно для цветных сплавов | Алюминиевые блоки двигателя, головки цилиндров, поршни, магниевые детали |
| Центробежный кастинг | Плотная структура, направленное затвердевание, устраняет ядра, позволяет изготавливать биметаллические отливки, уменьшенное стробирование | Внутренняя свободная поверхность шероховатая, точность размеров ограничена, не подходит для сплавов, склонных к сегрегации, ограничено цилиндрической/вращательной геометрией | Трубы, втулки, подшипники, гильзы цилиндров |
8. Заключение
Каждый метод литья имеет уникальные преимущества и ограничения, которые делают его подходящим для конкретных применений..
Литье в песчаные формы остается наиболее универсальным и экономичным методом для крупных предприятий., сложные отливки, в то время как литье по выплавляемым моделям обеспечивает исключительную точность изготовления дорогостоящих компонентов..
Литье под давлением обеспечивает крупносерийное производство тонкостенных деталей., и постоянное литье в формы обеспечивают стабильное качество при среднесерийном производстве цветной металлургии..
Литье под низким давлением идеально подходит для высоконадежных компонентов из алюминия и магния., и центробежное литье не имеет себе равных для полых симметричных деталей..
Выбор подходящего метода литья зависит от таких факторов, как геометрия детали., требуемая точность размеров, обработка поверхности, Тип материала, объем производства, и соображения стоимости.
Современное производство все чаще комбинирует эти методы, чтобы максимально использовать их взаимодополняющие преимущества., внедрение инноваций в производстве сложных компонентов в аэрокосмической отрасли, автомобильный, и промышленные сектора.
