Литьё под давлением. Литьё под давлением представляет собой процесс получения отливки путём введения в металлическую форму расплава под большим избыточным давлением (до 300 МПа), где он затвердевает и охлаждается. Затем происходит раскрытие прессформы и удаление отливки с помощью толкателей. Технологический процесс характеризуется коротким циклом и малым числом операций.

Машины для литья под давлением подразделяются по конструкционным и функциональным особенностям узла прессования на три типа:
· с холодной (неподогреваемой) вертикальной камерой прессования;
· с холодной горизонтальной камерой;
· с горячей вертикальной камерой прессования (рис. 46, 47).

Рис. 46. Схема холодной вертикальной (а) и го-ризонтальной (б) поршневых камер прессова-ния машин литья под давлением: а) 1 – камера прессования; 2 – прессующий пор-шень; 3 – прессформа; 4 – нижний поршень ка-меры; 5 – литниковое отверстие; б) 1 – неподвижная полуформа; 2 – специальное окно для заливки сплава; 3 – поршень		Рис. 47. Схема горячей поршне-вой камеры прессования: 1 – прессующий поршень; 2 – ци-линдр прессующего поршня; 3 – расплавленный металл; 4 – отверстие прессового цилиндра

В машинах с горячей камерой прессования предусмотрены автоматические операции дозировки и заливки, что значительно повышает их производительность до 3 500 запрессовок в час. Они используются, как правило, для литья мелких отливок из легкоплавких сплавов, например, цинковых, свинцово-сурьмянистых и др.

Машины с холодной камерой прессования применяют для получения отливок из сплавов на основе алюминия, магния, меди, цинка, редко – стали и чугуна, так как последние материалы обладают неудовлетворительным сочетанием литейных технологических свойств и, значительно взаимодействуя с материалом формы, резко сокращают её стойкость. Характерными преимуществами литья под давлением, по сравнению с литьём в песчаные формы, являются: высокая производительность и точность размеров, хорошее качество поверхности отливок, возможность автоматизации процессов литья и значительное снижение трудоёмкости. К недостаткам можно отнести: пониженную плотность и пластичность материала отливок, связанные с газовой пористостью, и невозможность, в связи с этим же, проведения последующей термообработки. Кроме того, современное оборудование не позволяет получать отливки массой более 50 кг.

Литьё под низким давлением. При литье под низким давлением (до 0,1 МПа) металл (алюминий, магний, медь, редко чугун или сталь) поступает в форму из тигля через металлопровод, погружённый в расплав, под давлением воздуха или газа на зеркало ванны расплава (рис. 48).

Рис. 48. Установка для литья под низким давлением: 1 – форма; 2 – газопровод; 3 – металлопровод; 4 – тигель

После затвердевания отливки установка разгерметизируется, а излишек расплава сливается из металлопровода в тигель. Размещение тигля с расплавом
в теплоизолированной камере обеспечивает снижение энергозатрат.

Конструкция установки не позволяет шлаку попадать в металлопровод, а плавное регулирование заполнения формы жидким металлом даёт возможность вытеснения газов и получения плотной отливки. Повышению плотности способствует принудительное подпитывание в период кристаллизации расплавом под избыточным давлением.

Преимуществами литья под низким давлением являются: возможность автоматизации заливки, пониженный расход металла (в 3 и более раз по сравнению с литьём в кокиль), возможность обеспечения оптимального процесса заполнения металлом формы, позволяющую существенно увеличить плотность отливок и их механические свойства (на 20–30 % по сравнению
с литьём в кокиль), а также возможность получения тонкостенного литья с толщиной стенки 1,5–2,0 мм.

К числу недостатков можно отнести ограниченное применение при литье чугуна и стали, связанное с малой стойкостью металлопровода, хотя его и изготовляют из жаростойких материалов, например, титанового сплава ВТ14.

Литьё вакуумным всасыванием. При литье вакуумным всасыванием полость формы заполняется металлом за счёт создания в ней вакуума (10–80 кПа). В настоящее время применяются две схемы этого процесса:
· с расположением литейной формы в герметичной камере, соединённой с металлопроводом, погружённым в тигель с расплавом;
· с герметизацией полости формы, сообщающейся через металлопровод с расплавом.

Рис. 49. Установка для литья вакуумным всасыванием: 1 – кристаллизатор; 2 – раздаточная печь

На рис. 49 показан второй вариант, с помощью которого получают втулки, вкладыши, подшипники скольжения из латуни, бронз, чугуна и стали. Преимущества способа: высокая плотность отливок, отсутствие усадочной и газовой пористости, а также литниковой системы, хорошее качество поверхности, повышенные (на 20–50 %) механические свойства (по сравнению с кокильным литьём), а также достаточно высокая производительность.

Однако при использовании форм-кристаллизаторов можно получать лишь отливки простой формы, а в случае отливки втулок предусматривать значительный припуск на механическую обработку внутренней поверхности.

Литьё с кристаллизацией под давлением. Сущность способа литья с кристаллизацией под давлением состоит в заливке металла в пресс-форму и последующего его уплотнения пуансоном гидравлического пресса в процессе затвердевания расплава (рис. 50).

Рис. 50. Схемы прессования при литье с кристаллизацией под давлением: а) поршневое прессование; б) пуансонное прессование; в) пуансонно-поршневое прессование; г) прессование через литники-питатели; 1 – исходное положение пуансона; 2 – конечное положение пуансона

Выжимание расплава производится со скоростью 0,1–0,5 м/с. Заливку осуществляют при температуре, превышающей ликвидус на 20–100 ^оС. С помощью пуансона окончательно оформляются контуры отливки и производится её уплотнение до полного затвердевания.

За счёт пластической деформации происходит залечивание межкристаллических и газовых пор. Получается плотная мелкокристаллическая структура
с высокими механическими свойствами, приближающимися к свойствам поковок. Можно получать простые и довольно сложные отливки из сплавов на основе алюминия, магния, меди, цинка и (реже) стали и чугуна. Можно использовать для литья даже деформируемые сплавы, хотя есть опасность образования усадочной пористости и горячих трещин.

Освоено производство слитков диаметром от 30 до 600 мм и отливок с толщинами стенок от 2 до 100 мм и массой от нескольких граммов до 300 кг. В связи с тяжёлыми условиями работы матрицы, пуансоны, стержни и толкатели изготовляют из теплостойких инструментальных сталей 5ХНМ, 3Х2В8Ф, 4Х5МФС, 4Х5В2ФС.

Для защиты поверхности прессформ применяют краски и теплоизоляционные покрытия. Преимуществами метода являются: получение плотных (беспористых) отливок
с мелкозернистой структурой и высокими механическими свойствами из литейных и деформируемых сплавов, небольшие припуски на обработку резанием, высокая производительность и выход годного (до 95 %). Недостаток  – высокая трудоёмкость изготовления литейной оснастки

Центробежное литьё. Технология центробежного литья заключается в том, что расплав заливают во вращающуюся форму, где он затвердевает под действием центробежных сил. Этим способом получают отливки из чугуна, стали, сплавов на основе меди, цинка, алюминия, магния, титана, а также из биметаллических композиций: сталь – бронза, чугун – бронза и др.

Литейные центробежные машины, как правило, бывают двух основных типов: с горизонтальной и вертикальной осями вращения (рис. 51). На машинах с горизонтальной осью вращения получают отливки, у которых длина (высота) значительно больше диаметра (различные трубы, гильзы и пр.). На машинах с вертикальной осью вращения отливают колёса, шестерни, фасонное литьё. Для получения фасонных изделий применяют, наряду с металлическими, керамические, графитовые и песчаные формы.

Рис. 51. Схемы изготовления отливок при вращении формы вокруг вертикальной (а) и горизонтальной (б) осей: 1 – ковш с расплавленным металлом; 2 – литейная форма (изложница); 3 – отливка; 4 – подвижный жёлоб

Важной характеристикой, обеспечивающей качество, является частота вращения формы. Для изложницы с горизонтальной осью вращения можно рекомендовать число оборотов в минуту:

n = 60·0,705(К/Д)^0,5,

а при литье в формы с вертикальной осью вращения:

n = 17 460/(g/R)^0,5, мин^-1,

где    g – плотность сплава, кг/м³;

R и Д – соответственно радиус и диаметр тел вращения;

К – гравитационный коэффициент (К = 3–300).

Преимуществами способа являются: высокий уровень производительности, высокий выход годного (90–95 %), высокая плотность и мелкозернистое строение отливок, возможность получения тонкостенных отливок. К главным недостаткам относятся: химическая неоднородность в толстостенных отливках, повышенная вероятность образования трещин, а также деформаций форм под давлением жидкого металла, разностенность по высоте
(в машинах с вертикальной осью вращения).

Метод широко применяется для литья водонапорных и канализационных труб, гильз двигателей внутреннего сгорания, поршневых колец, корпусов полых валов из коррозионностойких сталей диаметром до 1 500 мм, длиной до 10 м, массой до 60 т и других изделий.

Литьё выжиманием. Литьё выжиманием предназначено для получения тонкостенных крупногабаритных отливок посредством свободной заливки расплава в раскрытую форму с последующим заполнением металлом всей её рабочей полости за счёт сближения полуформ, которое реализуется либо поворотом подвижной полуформы вокруг оси, либо плоскопараллельным сближением одной или обеих полуформ. Избыток сплава выжимается в приёмный ковш (рис. 52). Для повышения стойкости форм их перед заливкой покрывают защитными красками и нагревают до 250 ^оС.

Рис. 52. Разновидности процесса литья выжиманием: а) – выжимание расплава поворотом подвижной полуформы; б) – выжимание расплава плоскопараллельным перемещением подвижной полуформы; 1 – заливка сплава; 2 – сближение полуформ с выжиманием излишка металла

Литьём выжиманием изготавливают в основном отливки из алюминиевых и магниевых сплавов. Заливку в форму производят при температурах, превышающих ликвидус на 80–100 ^оС, а процесс выжимания начинают при температуре на 20–40 ^оС выше ликвидуса. Оптимальная скорость подъёма уровня сплава в форме составляет 0,3–0,7 м/с.

Затвердевание отливки начинается уже в процессе движения расплава в форме и заканчивается соединением корочек металла, намороженных на стенках сближающихся полуформ. В зоне контакта соединяемых поверхностей возникает дефектная область отливки (раковины, рыхлоты).

Преимуществами способа являются возможности получения крупногабаритных тонкостенных отливок (размерами 1,0 ? 2,5 м и толщиной стенок 1,5–5,0 мм), отсутствие литниковой системы. К недостаткам относятся: пониженная точность размеров отливок (по сравнению с литьём в металлические формы) и низкий выход годного литья (25–50 %).

Способы литья с непрерывным процессом формирования отливки: непрерывное и полунепрерывное литьё, электрошлаковое литьё, получение отливок методом направленной кристаллизации

Непрерывное и полунепрерывное литьё. Процесс получения протяжённых отливок посредством свободной непрерывной заливки расплава в водоохлаждаемую форму – кристаллизатор и вытягивания из неё сформированной части отливки называют непрерывным литьём. Если накладываются ограничения на подачу металла, то способ называют полунепрерывным литьём.

Различают горизонтальное и вертикальное литьё. Материал рабочей полости выполняют либо из меди, алюминия, стали, либо (что предпочтительней) из графитовых вставок.

Внутренняя полость кристаллизатора охлаждается водой. Завершение затвердевания происходит либо в кристаллизаторе, либо – вне его.

На рис. 53 представлена схема установки для горизонтального литья. Расплав в кристаллизатор 2 поступает из раздаточной печи 1. Затвердевающая часть отливки 3 вытягивается из формы 2 с помощью роликов 4. Отливку периодически разрезают на части пилой 5. Указанным методом литья изготовляют трубы диаметром до 1 000 мм, втулки для гильз двигателей, заготовки для прокатных валков и другие изделия.

Рис. 53. Схема установки непрерывного горизонтального литья: 1 – раздаточная печь; 2 – литейная форма (кристаллизатор); 3 – затвердевшая часть отливки; 4 – ролики для вытяжки отливки; 5 – пила

Преимущества способа заключаются в неограниченности длины отливки, однородности свойств по длине, повышенной плотности металла, отсутствии литниковой системы, большом выходе годного, повышенных точности и чистоте поверхности, отсутствии операций выбивки форм, обрубки и очистки отливок, относительно невысокой стоимости литейных форм и повышенной производительности труда. Недостатки: ограниченность номенклатуры и невозможность получения отливок сложной конфигурации.

Электрошлаковое литьё. Суть процесса заключается в постепенном электрошлаковом переплаве расходуемого электрода 1 (рис. 54) в водоохлаждаемой металлической форме 5 и последующей кристаллизации в ней расплавленного металла.

При прохождении электрического тока через расплав шлака 2 в нём выделяется большое количество теплоты, в результате чего шлак нагревается на 150–300 ⁰С выше температуры плавления материала расходуемого электрода. В результате оплавления конца электрода капли металла проникают в шлак, очищаются в нём и скапливаются под шлаком, образуя металлическую ванну 3. Слой расплава, расположенный вблизи кристаллизатора, затвердевает быстрее. Расход электрода компенсируется перемещением его вниз.

Рис. 54. Схема получения отливок способом электрошлакового литья: 1 – расходуемый электрод; 2 – шлаковая ванна; 3 – металлическая ванна; 4 – от-ливка; 5 – литейная форма; 6 – поддон

Поверхность отливок получается чистой, гладкой, зачастую не нуждающейся в дальнейшей механической обработке. Отливки имеют повышенные химическую и структурную однородность, а также плотность. Уменьшается количество вредных примесей. Всё это обеспечивает отливкам высокие механические свойства. Отсутствие элементов литниковой системы позволяет повысить коэффициент использования металла.

Электрошлаковым литьём получают как мелкие отливки массой в десятки граммов, так
и крупные – массой до 300 т. Например, валки для холодной прокатки, сосуды сверхвысокого давления, коленчатые валы и другие изделия.

Получение отливок методом направленной кристаллизации. Весьма эффективным методом повышения эксплуатационных свойств сплавов, работающих в условиях высоких температур и напряжений, является применение процессов направленной кристаллизации, что позволяет получать изделия со столбчатой, монокристаллической и композиционной структурами.

Создание максимального градиента температуры в заданном направлении роста зёрен и минимального в других направлениях является важнейшим фактором обеспечения направленной кристаллизации. Тепло должно отводиться с одной стороны отливки с помощью холодильника. Остальная часть формы нагревается до температуры, превышающей температуру кристаллизации сплава.

Рис. 55. Установка на-правленной кристалли-зации в жидкометалли-ческом охладителе: 1 – керамическая форма; 2 – шток; 3 – печь для на-грева формы; 4 – тигель; 5 – жидкометаллический теплоноситель; 6 – нагреватель

На рис. 55 представлен вариант установки для ускоренной направленной кристаллизации. Прокалённая керамическая форма 1, закрепляемая на штоке 2, размещается внутри нагревательной печи 3. Форму заполняют расплавом из индукционной печи (на рисунке не показана) через воронку. Зона охлаждения, расположенная под зоной нагревания, состоит из тигля 4, заполненного жидкометаллическим теплоносителем 5. Расплавление теплоносителя осуществляется нагревателем 6.

После заполнения керамической формы расплавом жаропрочного сплава она с помощью штока перемещается с заданной скоростью в зону охлаждения и постепенно погружается в жидкий теплоноситель. Материалом для изготовления керамических форм для литья высокотемпературных сплавов может служить оксид алюминия. Указанным способом успешно изготовляют лопатки газовых турбин и другие детали из жаропрочных никелевых сплавов.

Монокристаллические отливки получают как из традиционных, так и специально разработанных для этого способа сплавов, например, ЖС36, содержащего рений. Для получения монокристаллических отливок используют две группы методов.

1. Методы, основанные на приоритетном росте столбчатых зёрен, растущих с наибольшей скоростью. Эффект достигается резким сужением формы.

2. Методы с использованием затравок.

Наконец, способами направленной кристаллизации можно получать композиционные материалы на основе Al, Mg, Cu, Ni, Co, Ti, Nb, Ta и других элементов. Например, эвтектических композиций Al–Al₃Ni и Al–CuAl₂. Использование направленно кристаллизованных эвтектик делает возможным повышение рабочих температур на 50–100 ^оС.