Вступ
Кастинг, як один із найперших освоєних процесів гарячої обробки металу людьми, може похвалитися історією приблизно 6,000 років.
Китай вступив у період розквіту бронзового литва між 1700 е. і 1000 е, причому ливарна майстерність досягла досить високого рівня.
Як основний процес у сучасному виробництві, лиття дозволяє формувати металеві компоненти складної форми, які важко виготовити за допомогою кування або механічної обробки, і він широко застосовується в аерокосмічній галузі, автомобільний, техніка, та промисловості точних приладів.
Вибір способу лиття безпосередньо визначає якість лиття, ефективність виробництва, і витрати на виробництво.
1. Лиття із зеленого піску (Традиційне лиття в пісок)
Основне визначення & Принцип процесу
Зелений пісочний кастинг є найбільш традиційним і широко використовуваним методом лиття в усьому світі.
Його основною сировиною є ливарний пісок (переважно силікатний пісок; спеціальні піски, такі як цирконовий пісок і корундовий пісок, застосовуються, якщо кремнеземний пісок не відповідає вимогам до високих температур) і піщані в'яжучі (глина найпоширеніша; сухого масла, водорозчинний силікат, фосфат, альтернативними варіантами є синтетичні смоли).
Зовнішні піщані форми класифікуються на три типи на основі сполучних речовин і механізмів формування міцності: форма із зеленого глиняного піску, суха глина піщана форма, і піщана форма з хімічним зв'язком.
Розплавлений метал заливають у піщану форму, який застигає з утворенням виливків, і форма пошкоджена після одноразового заливання і не може бути використана повторно.
Переваги
- Економічна сировина: Глина багата на ресурси та має низьку ціну; над 90% використаного зеленого глинистого піску можна переробити та повторно використати після обробки піском, зменшення матеріальних відходів.
- Висока гнучкість процесу: Короткий цикл виготовлення прес-форм і висока ефективність; змішаний формувальний пісок має тривалий термін служби; він адаптований до малих, великий, простий, і складні виливки, а також цільні, дрібносерійний, і сценарії масового виробництва.
- Низький поріг обладнання: Не вимагає висококласного спеціалізованого обладнання, підходить для малих і середніх ливарних виробництв.
Недоліки & Обмеження
- Низька ефективність виробництва: Кожна піщана форма може бути використана лише один раз і повинна бути переформована для наступних відливок, призводить до низької ефективності безперервного виробництва.
- Погана точність розмірів: Жорсткість піщаних форм низька, що призводить до класів допуску розмірів CT10–CT13, які не можуть відповідати вимогам високої точності.
- Високий ризик дефектів: Виливки схильні до типових дефектів, таких як змивання піском, включення піску, газова пористість, і усадочної пористості за рахунок пухкої структури піщаних форм.
- Нижча якість поверхні: Ливарна поверхня відносно шорстка, потребує додаткової механічної обробки для покращення обробки.
2. Інвестиційне кастинг (Кастинг загубленого воску)
Основне визначення & Принцип процесу
Інвестиційне кастинг, широко відомий як воскове лиття, має складний процес:
виготовляти воскові моделі з легкоплавких матеріалів, нанесіть кілька шарів вогнетривких матеріалів на поверхню малюнка, щоб утворити керамічну оболонку, розплавити і зняти восковий візерунок для отримання форми без розривних поверхонь, і виконати високотемпературний випал перед заливкою розплавленого металу.
Він застосовний до широкого діапазону сплавів, включаючи вуглецеву сталь, легована сталь, жароміцний сплав, нержавіюча сталь, мідний сплав, алюмінієвий сплав, титановий сплав, і ковкий чавун, особливо для матеріалів, які важко піддаються обробці куванням або різанням.
Переваги
- Відмінна розмірна точність: Толерантність до лиття оцінки досягають CT4–CT6, набагато вище, ніж лиття із зеленого піску (CT10 - CT13) і порівняти з литтям під тиском (CT5–CT7), мінімізація обробки після лиття.
- Високий коефіцієнт використання матеріалу: Значно зменшує обсяг обробки формованих і сполучених поверхонь, економія часу обробки та витрати ріжучого інструменту, з перевищенням коефіцієнта використання матеріалів 90%.
- Сильна адаптивність форми: Може відливати надзвичайно складні компоненти, тонкостінні деталі (мінімальна товщина стінки 0,5 мм), і мікророзмірні виливки (мінімальна вага 1г);
він також підтримує інтегроване лиття зібраних деталей, спрощення подальших процесів складання. - Широка сумісність сплавів: Підходить практично для всіх металевих матеріалів, в тому числі жароміцних сплавів, магнієві сплави, титанові сплави, і дорогоцінні метали, які важко обробити іншими методами.
- Гнучкий масштаб виробництва: Пристосовується до масового виробництва, дрібносерійне виробництво, і навіть індивідуальне налаштування, з сильною масштабованістю.
Недоліки & Обмеження
- Складний технологічний процес: Він має найскладніший процес серед усіх методів лиття, пов’язане з виготовленням візерунків з воску, оболонкове покриття, депарафінізація, смаження, і розливу, вимагає суворого контролю процесу.
- Обмежений розмір виливка: Не підходить для великих виливків; максимальна вага звичайних відливок по виплавлених моделях зазвичай становить 50 кг, так як великі раковини схильні до розтріскування під час смаження і розливу.
- Повільна швидкість охолодження: Керамічна оболонка має низьку теплопровідність, що призводить до повільного затвердіння розплавленого металу, що може спричинити грубозернисту структуру в деяких сплавах.
- Висока вартість виготовлення: Вартість воскових моделей, вогнетривкі матеріали, і контроль процесу відносно високий; це економічно вигідно лише в поєднанні зі скороченням обробки та економією матеріалів.
3. Кастинг
Основне визначення & Принцип процесу
Кастинг це метод лиття під високим тиском, який включає введення розплавленого металу в прецизійну металеву порожнину форми на високій швидкості (10–50 м/с) під високим тиском (20–150 МПа), і затвердіння металу під тиском для формування виливків.
Він має два основні процеси: гарячекамерне лиття під тиском (розплавлений метал автоматично стікає в барокамеру) and cold-chamber die casting (molten metal is manually or automatically poured into the pressure chamber).
The mold is made of high-strength die steel, ensuring repeated use.
Переваги
- Superior product quality: Casting dimensional accuracy reaches grade 6–7 (even grade 4 for precision products) with surface roughness Ra 5–8μm;
the strength and hardness are 25–30% higher than green sand castings due to pressure solidification, though elongation decreases by about 70%. - Ultra-high production efficiency: A horizontal cold-chamber die casting machine can complete 600–700 cycles per 8 годинник,
while a small hot-chamber die casting machine can achieve 3,000–7,000 cycles, far exceeding other casting methods. - Long mold life: Molds for zinc alloy die casting can last hundreds of thousands or even millions of times, зниження довгострокових витрат виробництва.
- Легка автоматизація: Процес дуже сумісний з механізацією та автоматизацією, зниження трудових витрат і підвищення стабільності виробництва.
- Відмінні економічні переваги: Виливки вимагають мінімальної механічної обробки або взагалі її не обробляють, покращення використання металу та зменшення інвестицій у технологічне обладнання;
комбіноване лиття під тиском металевих і неметалевих матеріалів економить час складання та сировину.
Недоліки & Обмеження
- Високий ризик дефектів газової пористості: Висока швидкість заповнення призводить до нестабільного потоку розплавленого металу,
легко захоплюючи газ для формування внутрішньої пористості, через що виливки не піддаються термічній обробці (термічна обробка викликає розширення газу та розтріскування). - Погана адаптованість до складних внутрішніх увігнутих частин: Внутрішні увігнуті складні структури важко витягти з форми, обмеження конструкції лиття форм.
- Короткий термін служби форми для сплавів з високою температурою плавлення: Для сплавів з високою температурою плавлення, таких як сплави міді та чорні метали, форма схильна до термічної втоми і зношування, значно скорочує термін служби.
- Не підходить для дрібносерійного виробництва: Вартість виготовлення форми висока, а висока ефективність машин лиття під тиском робить дрібносерійне виробництво економічно невигідним.
4. Постійне лиття цвілі (Лиття в тверді форми)
Основне визначення & Принцип процесу
Лиття в постійну форму, також називається литтям у тверду форму, передбачає заливання розплавленого металу в металеву форму для формування виливків.
Форма виготовлена з чавуну або литої сталі, і її можна повторно використовувати сотні чи тисячі разів, звідси назва «постійна цвіль».
Внутрішня порожнина виливків може використовувати металеві сердечники або піщані сердечники, а форми форми розділені на горизонтальні частини, вертикальний проділ, і композитна частина для адаптації до різних форм лиття:
вертикальний проділ полегшує ліберування та виймання, горизонтальний проділ для тонкостінних колісних деталей, а композитне розділення призначене для складних компонентів.
Переваги
- Відмінна можливість повторного використання форми: «Одна форма для кількох відливок» усуває необхідність повторного виготовлення форми, економія формовочних матеріалів і часу, та підвищення ефективності виробництва.
- Висока продуктивність лиття: Металева форма має потужну охолоджувальну здатність, що забезпечує щільну структуру лиття та кращі механічні властивості порівняно з піщаним литтям.
- Хороша точність розмірів і якість поверхні: Класи допуску на лиття досягають IT12–IT14, шорсткість поверхні Ra ≤6,3 мкм, зменшення навантаження на постобробку.
- Покращені умови праці: Він використовує мало піску або взагалі його не використовує, уникнення пилового забруднення та оптимізація робочого середовища для працівників.
Недоліки & Обмеження
- Висока вартість форми та тривалий цикл виробництва: Металева форма вимагає високоміцних матеріалів і точної обробки,
з великими початковими інвестиціями та тривалим часом виконання, непридатні для одиничного і дрібносерійного виробництва. - Обмежені застосовні сплави та розміри лиття: В основному підходить для масового виробництва виливків із кольорових сплавів (алюмінієві поршні, блоки циліндрів, головки циліндрів, втулки з мідного сплаву, тощо) для автомобілів, літак, і двигуни внутрішнього згоряння;
для лиття з чорних сплавів, він застосовний лише до малих і середніх деталей простої форми. - Суворі вимоги до процесу: Прес-форма потребує попереднього нагрівання та контролю температури, щоб уникнути холодного закриття та розтріскування форми; він схильний до термічної втоми після тривалого використання, впливають на якість лиття.
5. Лиття під низьким тиском
Основне визначення & Принцип процесу
Лиття під низьким тиском — це спосіб лиття, який заповнює форму та твердне розплавлений метал під низьким тиском (0.02-0,06 МПа).
Основний процес включає: заливання розплавленого металу в ізольований тигель, герметизація тигля, з’єднання стоякової труби з прес-формою, введення сухого стисненого повітря в тигель для переміщення розплавленого металу вгору через вертикальну трубу для заповнення порожнини форми,
затвердіння металу під постійним тиском, скидання тиску, щоб дозволити залишкам розплавленого металу текти назад у тигель, і, нарешті, відкриття форми, щоб витягти відливку.
Переваги
- Гнучке управління процесом: Швидкість підйому розплавленого металу та тиск затвердіння регулюються, підходить для різних форм (металеві форми, форми для піску) і сплавів, а також виливки різних розмірів.
- Стабільне заповнення та низький рівень браку: Заповнення знизу вгору забезпечує плавний потік розплавленого металу без розбризкування, запобігання захопленню газу та ерозії стінок форми та серцевин;
дефекти лиття, такі як газова пористість і включення шлаку, значно зменшуються, з кваліфікаційною ставкою понад 95%. - Високоякісні виливки: Затвердіння під тиском реалізує спрямоване затвердіння ззовні всередину, в результаті чого виливається щільна структура,
чіткі контури, гладкі поверхні, і відмінні механічні властивості, особливо підходить для великих тонкостінних деталей. - Високий коефіцієнт використання матеріалу: Підйомник не потрібен, з коефіцієнтом використання матеріалу 90–98%, зменшення відходів металу.
- Дружнє робоче середовище: Низька трудомісткість, просте обладнання, і легка реалізація механізації та автоматизації, відповідність сучасним вимогам виробництва.
Недоліки & Обмеження
- Короткий термін служби стояка: Підйомна труба тривалий час знаходиться в прямому контакті з високотемпературним розплавленим металом, схильні до окислення і зношування, вимагають регулярної заміни.
- Ризик забруднення розплавленим металом: Під час теплозбереження, розплавлений метал легко окислюється і змішується зі шлаком, вимагає суворого контролю середовища збереження тепла та очищення розплавленого металу.
- Обмежена сфера застосування: В основному використовується для лиття високоякісних виливків з алюмінієвих і магнієвих сплавів, наприклад блоки циліндрів, головки циліндрів, картери, і алюмінієві поршні високошвидкісних двигунів внутрішнього згоряння; він рідко використовується для чорних сплавів через високі вимоги до температури.
6. Відцентрове кастинг
Основне визначення & Принцип процесу
Відцентрове лиття передбачає заливання розплавленого металу в форму, що обертається, де метал заповнює форму і твердне під дією відцентрової сили.
Відповідно до орієнтації обертової осі форми, її поділяють на три види: горизонтальне відцентрове лиття (вісь горизонтальна або <4° до горизонталі, підходить для довгих циліндричних деталей),
вертикальне відцентрове лиття (вісь вертикальна, підходить для коротких циліндричних або кільцевих деталей), і відцентрове лиття похилої осі (використовується рідко через складність експлуатації).
Відцентрова сила керує спрямованим рухом розплавленого металу, оптимізація структури лиття.
Переваги
- Спрощена структура форми: Для порожнистих обертових деталей, немає ядра, ліберна система, або потрібен стояк, спрощення конструкції форми та зниження витрат на виробництво.
- Високоякісні виливки: Відцентрова сила відділяє гази і шлаки низької щільності на внутрішню поверхню,
і сприяє спрямованому твердінню ззовні всередину, в результаті чого виливається щільна структура, мало дефектів, і відмінні механічні властивості. - Економія біметалічних деталей: Прості для лиття біметалічні компоненти, такі як втулки та підшипники (Напр., сталеві гільзи з тонкою мідною футеровкою), економія дорогих кольорових металів при забезпеченні продуктивності.
- Сильна здатність до наповнення: Відцентрова сила підвищує плинність розплавленого металу, підходить для лиття тонкостінних деталей і сплавів з поганою текучістю.
- Зменшені матеріальні відходи: Усуває вентиляційні системи та стояки, подальше покращення використання матеріалів.
Недоліки & Обмеження
- Погана якість внутрішньої поверхні: Внутрішня вільна поверхня виливків шорстка, з великими похибками розмірів і поганою однорідністю, що вимагає подальшої механічної обробки для відповідності вимогам до розмірів.
- Не підходить для деяких сплавів: Не застосовується до сплавів із сильною сегрегацією по щільності (Напр., свинцева бронза), оскільки відцентрова сила посилить сегрегацію;
також не підходить для алюмінієвих і магнієвих сплавів через їх низьку щільність і поганий ефект відцентрового розділення. - Обмежені форми лиття: Підходить тільки для симетричних частин, що обертаються (циліндри, кільця, рукава); не можна відливати деталі складної форми з неправильними контурами.
- Високі вимоги до обладнання: Потрібні спеціальні відцентрові ливарні машини зі стабільним регулюванням швидкості обертання, збільшення інвестицій у обладнання.
7. Порівняльна таблиця поширених методів лиття
| Метод лиття | Переваги | Обмеження | Типові програми |
| Пісочний кастинг | Низька вартість, гнучкий для малих/великих деталей, прості і складні форми, перероблений пісок | Одноразові форми → низька ефективність, менша точність розмірів, дефекти поверхні | Блоки двигуна, насосні корпуси, великі структурні частини |
| Інвестиції (Загублений) Кастинг | Висока точність (CT4–6), Відмінна обробка поверхні, Складні форми, тонкі стіни, широка сумісність матеріалів | Висока вартість, складний процес, не підходить для дуже великих деталей | Аерокосмічні компоненти, Медичні імплантати, прецизійні автомобільні деталі |
| Кастинг | Висока точність розмірів (КТ6–7), Відмінна обробка поверхні, тонкостінні деталі, висока ефективність виробництва, зручний для автоматизації | Висока вартість інструментів, обмежується легкоплавкими сплавами, ризик пористості, не ідеально підходить для невеликих партій | Деталі автомобільного двигуна, корпус, побутова електроніка |
Постійна цвіль (Металева форма) Кастинг |
Багаторазові форми знижують вартість, щільна мікроструктура, висока сила, Хороша обробка поверхні | Висока вартість форми, суворий контроль процесу, обмежена середньою складністю, в основному кольорові сплави | Алюмінієві поршні, головки циліндрів, Автомобільні корпуси |
| Лиття під низьким тиском | Гладке наповнення, мінімальна пористість, якісна щільна структура, високий коефіцієнт використання металу (90–98%), підходить для тонкостінних деталей | Обмежений термін служби стояка/проводу, ризик окислення, в основному для кольорових сплавів | Алюмінієві блоки двигуна, головки циліндрів, поршні, магнієві частини |
| Відцентрове кастинг | Щільна структура, спрямоване затвердіння, усуває ядра, дозволяє виготовляти біметалічні лиття, зменшений литник | Внутрішня вільна поверхня шорстка, обмежена точність розмірів, не підходить для сплавів, схильних до сегрегації, обмежена циліндричною/ротаційною геометрією | Труби, втулки, підшипники, гільз циліндрів |
8. Висновок
Кожен метод лиття має унікальні переваги та обмеження, які роблять його придатним для конкретних застосувань.
Лиття в пісок залишається найбільш універсальним і економічним методом для великих, складні виливки, в той час як лиття по моделлю забезпечує виняткову точність для високоцінних компонентів.
Лиття під тиском найкраще підходить для великого виробництва тонкостінних деталей, а постійне лиття у форму забезпечує незмінну якість для середнього виробництва кольорових металів.
Лиття під низьким тиском ідеально підходить для високоякісних алюмінієвих і магнієвих компонентів, і відцентрове лиття не має собі рівних для порожнистих симетричних деталей.
Вибір відповідного методу лиття залежить від факторів, включаючи геометрію деталі, необхідна точність розмірів, поверхнева обробка, тип матеріалу, обсяг виробництва, та міркування щодо вартості.
Сучасне виробництво все частіше поєднує ці технології, щоб використовувати їх додаткові переваги, стимулювання інновацій у виробництві складних компонентів в аерокосмічній галузі, автомобільний, та промислові сектори.
