Как работает литье в песок? Объяснение процесса и деталей

Литье в песок заключается в упаковке песчаной смеси вокруг рисунка желаемой детали, удалении рисунка, чтобы оставить полость, заливке расплавленного металла в эту полость и отрыве песчаной формы после затвердевания металла. Это старейший и наиболее широко используемый процесс литья металла в мире, на который приходится около 70% всех металлических отливок, производимых в мире по весу. Литье в песчаные формы позволяет производить детали весом от нескольких граммов до более 100 тонн практически из любого металла с минимальными затратами на инструменты по сравнению с другими методами литья. Компромиссом являются допуски на размеры и качество поверхности: детали, отлитые в песчаную форму, обычно имеют допуск от ±0,03 до ±0,06 дюйма на дюйм и значения шероховатости поверхности 250–500 Ra (мкдюйм), что грубее, чем литье под давлением или литье по выплавляемым моделям, но вполне адекватно для широкого спектра структурных и механических применений.

Процесс литья в песок: шаг за шагом

Литье в песчаные формы представляет собой повторяемую последовательность этапов, в ходе которых сырой песок и расплавленный металл превращаются в готовую деталь. Каждый этап имеет определенные технические требования, определяющие качество окончательной отливки.

Изготовление узора: Модель — точная копия желаемой детали, обычно увеличенного размера с припуском на усадку 1–2,5% в зависимости от металла — изготавливается из дерева, пластика, алюминия или пеноуретана. Рисунок включает углы наклона (обычно 1–3 градуса на каждую сторону), чтобы обеспечить чистое удаление песка, не повреждая стенки полости формы.
Подготовка формы: Выкройка помещается в коробку, состоящую из двух частей, называемую колбой (верхняя часть, нижняя часть). Песок плотно набит вокруг узора в каждой половине. Для литья в сырые пески - наиболее распространенный метод - песчаная смесь состоит из 85–95% кварцевого песка, 4–10% бентонитовой глины в качестве связующего и 2–5% воды. Глина и вода создают пластичность, которая сохраняет форму формы, когда ее вынимают.
Удаление шаблона: Половинки опоки аккуратно отделяются и вытягивается узор, оставляя на песке точное негативное впечатление от геометрии детали. Разделительный состав, нанесенный на шаблон перед трамбовкой, предотвращает прилипание песка во время удаления.
Базовая настройка (если требуется): Для деталей с внутренними полостями, таких как полые трубы, порты двигателя или отверстия с сердечниками, предварительно сформированные песчаные стержни помещаются в полость формы перед закрытием. Стержни изготавливаются отдельно из химически связанного песка (без обжига, в оболочке или в холодном ящике) и поддерживаются отпечатками стержней — выступами на рисунке, которые создают углубления в стенке формы, где лежат концы стержней.
Создание воротной системы: Каналы, вырезанные или сформированные в песке, называемые литниковой системой, направляют расплавленный металл из разливочного стакана через литник (вертикальный канал), по направляющим (горизонтальные каналы) и в полость формы через затворы. Стояки (резервуары дополнительного металла) также располагаются на толстых секциях для подачи расплавленного металла в деталь по мере ее усадки во время затвердевания, предотвращая образование усадочной пористости.
Сборка формы и заливка: Крышка и тормоз снова собираются и зажимаются или утяжеляются, чтобы гидростатическое давление расплавленного металла не подняло крышку во время заливки. Металл льется при правильной температуре — обычно 1250–1500 °C для чугуна и 650–750 °C для алюминиевых сплавов. — плавно и непрерывно, чтобы избежать турбулентности, которая может привести к захвату газа или разрушению стенок формы.
Охлаждение и затвердевание: Заполненную форму оставляют в покое, пока металл остывает. Время охлаждения варьируется от минут для небольших алюминиевых деталей до многих часов для крупных отливок из железа или стали. Преждевременное нарушение приводит к горячим разрывам, деформации или неполному затвердеванию.
Встряска: После достаточного охлаждения песчаная форма разбивается на части — механически вибрируется на вибрационном сите — чтобы освободить отливку. Песок собирается, восстанавливается путем добавления свежей глины и воды и возвращается в производство. На крупных литейных заводах 90–95% сырого песка регенерируется и используется повторно.
Очистка и отделка: Необработанная отливка очищается дробеструйной обработкой или галтовкой для удаления прилипшего песка, затем литниковая система (вертикальный желоб, желоба, стояки) отрезается и шлифуется. Заключительные этапы могут включать термообработку, механическую обработку до допуска и обработку поверхности в зависимости от применения.

Ключевые детали для литья в песчаные формы и их функции

Понимание отдельных компонентов установки для литья в песчаные формы позволяет понять, как этот процесс контролирует поток металла, распределение тепла и качество конечной детали. Каждая деталь, отлитая в песок, служит определенной инженерной цели.

Ядро детали для литья в песок их расположение в форме и их роль в процессе литья.
Часть литья в песок	Расположение	Функция
Узор	Удален перед заливкой	Создает форму полости пресс-формы; включает припуск на усадку и осадку
Колба (Cope & Drag)	Окружает всю форму	Жесткая рама, удерживающая песок во время утрамбовки, перемещения и заливки.
Линия разделения	Интерфейс между преодолением и перетаскиванием	Определяет плоскость разделения пресс-формы; выглядит как шов на готовой отливке
Ядро	Внутри полости формы	Создает внутренние пустоты, отверстия и подрезы, которые не может образовать внешний узор.
Разливная чашка/тазик	Верхняя часть формы	Принимает расплавленный металл из ковша; уменьшает турбулентность на входе в стояк
Спру	Вертикальный канал в перекрытии	Переносит металл вниз из разливочного стакана в направляющую систему.
бегун	Горизонтальный канал на линии разъема	Распределяет металл от основания литника к одному или нескольким залитым элементам.
Ингата	Точка входа в полость	Контролирует скорость потока и направление металла, поступающего в полость формы.
Райзер (питатель)	Над толстыми участками полости	Резервуар с жидким металлом, который питает отливку по мере ее усадки во время затвердевания.
Вентиляция	Маленькие каналы в управлении	Позволяет газам и пару выходить из формы во время заливки, предотвращая появление пористости.
Веночки	Внутренняя полость, поддерживающая сердечники	Небольшие металлические опоры, удерживающие керны на месте против выталкивающих сил во время заливки.

Типы процессов литья в песчаные формы

Термин «литье в песчаные формы» охватывает несколько различных вариантов процесса, каждый из которых подходит для разных объемов производства, сложности деталей и требований к точности. Выбор правильного типа процесса так же важен, как и сама конструкция отливки.

Литье в зеленый песок

Самый распространенный и дешевый метод литья в песок. «Зеленый» относится не к цвету, а к содержанию влаги в песке — обычно 2–5% воды активирует связующее вещество бентонитовой глины. Литье в сырые песчаные формы является стандартным процессом для крупносерийного производства серого и ковкого чугуна. Многие автомобильные литейные заводы используют полностью автоматизированные линии по производству сырого песка, производящие тысячи отливок в день. После вытряски песок сразу же подлежит вторичной переработке. Ограничения включают меньшую точность размеров, чем при процессах с химической связкой, и возможность возникновения газовых дефектов, связанных с влажностью, если влажность пресс-формы не контролируется.

Литье в песчаные формы без обжига (Air-Set)

Песок смешивается с двухкомпонентным химическим связующим (например, фурановой смолой или фенольным уретаном), которое отверждается при комнатной температуре в результате химической реакции, а не тепла или влаги. Формы без обжига более твердые и стабильные по размерам, чем формы из зеленого песка. допуски примерно на 25–50 % жестче, чем у зеленого песка . Этот процесс предпочтителен для крупных и сложных деталей — корпусов промышленных насосов, крупных корпусов клапанов и компонентов станков — где точность размеров оправдывает более высокую стоимость связующего и более длительное время подготовки формы.

Формование оболочки (процесс кронинга)

Мелкий кварцевый песок, покрытый термореактивной фенольной смолой, сбрасывают или выдувают на нагретую металлическую модель (175–370°C), образуя тонкую оболочку толщиной 10–20 мм, которая затвердевает за 10–30 секунд. Две половинки оболочки скрепляются клеем, образуя цельную форму. Формование ракушек обеспечивает чистоту поверхности 125–250 Ra (мкдюйм) и допуски на размеры ± 0,010 дюйма — значительно лучше, чем зеленый песок. Он обычно используется для автомобильных распределительных валов, коленчатых валов, шатунов и других прецизионных деталей среднего объема.

Литье по выплавляемым моделям (полный процесс пресс-формы)

Узор из пенополистирола (EPS), идентичный окончательной детали, закопан в рыхлый, несвязанный сухой песок. Когда расплавленный металл разливается, он испаряет пену, принимая ее точную форму. Удаление формы не требуется, а изделия сложной геометрии с внутренними особенностями, для которых при обычном литье в песчаные формы потребовалось бы несколько стержней, могут быть изготовлены в виде единой модели пенопласта. Литье по выплавляемым моделям широко используется для изготовления алюминиевых головок цилиндров, впускных коллекторов и сложных железных блоков двигателей. — Компания General Motors произвела с помощью этого процесса более 15 миллионов головок цилиндров.

Вакуумное (V-процесс) литье

Сухой несвязанный песок удерживается на тонкой пластиковой пленке, накрытой узором, с помощью вакуумного давления, а не химического связующего. После заливки и затвердевания вакуум сбрасывается и песок свободно стекает — вытряска не требуется. V-образное литье обеспечивает чистоту поверхности 150–300 Ra и превосходную повторяемость размеров, а также дополнительное преимущество, заключающееся в том, что во время разливки практически не образуется отходящих газов, что делает его одним из самых экологически чистых методов литья в песчаные формы.

Материалы, которые можно отливать в песок

Одним из наиболее значительных преимуществ литья в песчаные формы по сравнению с конкурирующими процессами является универсальность материалов. Литье в песчаные формы совместимо практически со всеми отливаемыми металлами и сплавами. , в том числе те, которые имеют высокие температуры плавления, которые могут разрушить постоянные металлические формы.

Распространенные металлы, используемые при литье в песчаные формы, с типичными температурами заливки и основными применениями.
Металл/Сплав	Температура заливки. (°С)	Обычные детали, отлитые из песка	Ключевое преимущество
Серый чугун	1300–1450	Блоки двигателей, тормозные барабаны, основания машин	Низкая стоимость, отличная обрабатываемость, гашение вибраций.
Ковкий (с шаровидным графитом) чугун	1350–1480	Коленчатые валы, шестерни, корпуса дифференциалов	Высокая прочность и пластичность по сравнению с серым чугуном
Алюминиевые сплавы	680–780	Головки цилиндров, впускные коллекторы, корпуса насосов	Малый вес, хорошая коррозионная стойкость
Бронза/Латунь	950–1100	Корпуса клапанов, морская арматура, втулки, гребные винты	Коррозионная стойкость, несущие свойства
Углеродистая/Низколегированная сталь	1550–1650	Железнодорожные компоненты, горнодобывающее оборудование, детали конструкций	Высокая прочность, свариваемость, термообработка
Нержавеющая сталь	1480–1600	Крыльчатки насосов, пищевое оборудование, клапаны	Коррозионная и термостойкость
Магниевые сплавы	650–750	Корпуса для аэрокосмической отрасли, легкие конструктивные детали	Самый легкий металл конструкционного литья

Распространенные дефекты литья в песок и способы их предотвращения

Дефекты литья в песчаные формы составляют примерно 5–10% продукции на хорошо управляемых литейных заводах и до 20–30% на плохо контролируемых производствах. Понимание причин дефектов имеет важное значение для разработки средств управления процессом, которые минимизируют процент брака.

Пористость (газ и усадка)

Пористость является наиболее распространенным дефектом литья в песчаные формы. , проявляясь в виде пустот внутри затвердевшего металла. Газовая пористость образуется, когда водород или образующийся влага пар задерживается в расплаве до затвердевания. Усадочная пористость образуется, когда расплавленный металл сжимается по мере затвердевания и жидкого металла недостаточно для заполнения зазора. Профилактика включает контроль содержания влаги в песке ниже 4%, дегазацию расплава продувкой азотом или аргоном, а также правильный подбор размеров и расположение стояков.

Песчаные включения и холодные затворы

Включения песка возникают, когда рыхлый песок, эродированный с поверхностей формы или стержня, переносится в отливку турбулентным потоком металла. Холодные затворы образуются, когда два потока металла встречаются в форме и не могут плавиться должным образом — обычно это происходит из-за того, что металл слишком сильно остыл перед заполнением полости, или из-за литниковой системы, которая плохо разделяет поток. Правильная конструкция литников с контролируемой скоростью заполнения (ниже 0,5 м/с на входе для железа), соответствующий предварительный нагрев формы для алюминия и хорошо уплотненный песок — все это уменьшает эти дефекты.

Горячие слезы и искажения

Горячие разрывы — это трещины, которые образуются в отливке во время затвердевания, когда тепловое сжатие ограничивается формой или стержнем. Они наиболее распространены в тонких сечениях, прилегающих к толстым, а также в металлах с широким диапазоном затвердевания, таких как алюминиевая бронза. Конструктивные решения включают добавление галтелей (радиусом минимум 3–5 мм) на переходах секций, увеличение сжимаемости сердцевины и корректировку последовательности затвердевания посредством охлаждения или размещения стояков.

Допуски при литье в песчаные формы, качество поверхности и размерные возможности

Установление реалистичных требований к размерам перед тем, как приступить к литью в песчаные формы, предотвращает дорогостоящие изменения конструкции. Этот процесс имеет четко установленные пределы возможностей, которые различаются в зависимости от типа процесса, металла и размера детали.

Сравнение допусков на размеры и качества поверхности в различных вариантах процесса литья в песчаные формы
Процесс	Линейный допуск (дюйм/дюйм)	Чистота поверхности Ra (мкдюйм)	Мин. Толщина сечения
Зеленый песок	±0,030–0,060	250–500	3–5 мм
Без запекания / с конвекцией	±0,020–0,040	200–400	4–6 мм
Формование ракушек	±0,010–0,020	125–250	2–3 мм
Потерянная пена	±0,010–0,025	125–250	2,5–4 мм
V-процесс	±0,010–0,020	150–300	3–5 мм

Для справки: литье по выплавляемым моделям обычно достигает ±0,005 дюйма на дюйм и 63–125 Ra. , в то время как литье под высоким давлением достигает ±0,002–0,005 дюйма на дюйм — и то и другое при значительно более высоких затратах на оснастку. Допуски литья в песчаные формы полностью достаточны для большинства деталей конструкции, корпусов и кронштейнов, которые в любом случае требуют механической обработки критически важных соединений.

Литье в песок по сравнению с другими процессами литья: когда выбирать песок

Литье в песчаные формы не всегда является оптимальным выбором процесса. Понимание того, в чем он превосходит альтернативы, а где нет, позволяет избежать дорогостоящих ошибок при выборе процесса.

Преимущества литья в песок

Самая низкая стоимость оснастки для любого процесса литья: Простую деревянную или пластиковую модель для литья в зеленый песок можно сделать за 500–5000 долларов. Сопоставимая форма для литья под давлением стоит 20 000–200 000 долларов. Это делает литье в песчаные формы единственным экономичным вариантом для производства прототипов, небольших партий (менее 500 деталей) и очень крупных деталей, для которых штамповка нецелесообразна.
Нет практических ограничений по размеру: При литье в песчаные формы получаются самые крупные металлические отливки, изготовленные любым способом. Крупнейшие одиночные отливки из песка — массивные каркасы гидротурбин, судовых гребных винтов, каркасы прессов — весят более 100 тонн и не могут быть изготовлены другим способом.
Совместим со всеми литейными сплавами: Включая тугоплавкие ферросплавы (сталь, нержавеющая сталь, железо с высоким содержанием хрома), которые могут разъедать или разрушать алюминиевые или цинковые инструменты для литья под давлением за один выстрел.
Сложная внутренняя геометрия через сердечники: В песчаных сердечниках образуются внутренние проходы, полости и элементы, которые невозможно извлечь из постоянной формы, что крайне важно для блоков двигателей, корпусов клапанов и гидравлических коллекторов.

Когда следует выбрать другой процесс

Тонкие стенки с высокой степенью жесткости → Литье под давлением: Для деталей из алюминия или цинка в количествах более 10 000–50 000 с толщиной стенок менее 2 мм и допусками менее ±0,010 дюйма литье под высоким давлением имеет более низкую стоимость каждой детали, несмотря на более высокие инвестиции в оснастку.
Чистовая обработка поверхности сложной геометрии → Литье по выплавляемым моделям: Детали с тонкими стенками, мелкими деталями и требованиями, близкими к заданной форме (что позволяет исключить большую часть механической обработки), лучше обслуживаются методом литья по выплавляемым моделям, несмотря на более высокую стоимость детали.
Простые вращающиеся детали → Центробежное литье: Трубы, трубки, кольца и цилиндрические втулки производятся более экономично и с лучшими механическими свойствами (за счет центробежной сегрегации) методом центробежного литья, чем литьем в песчаные формы.

Отрасли промышленности и продукты, в которых используется литье в песчаные формы

Литье в песчаные формы глубоко внедрено в производственную цепочку поставок многих крупных отраслей промышленности. Многие компоненты, которые каждый день появляются в готовой продукции, изначально были отлиты в песчаные формы.

Автомобильная промышленность

Автомобильная промышленность является крупнейшим потребителем литья в песчаные формы в мире. , что составляет примерно 35–40% от общего объема литейного производства по весу. Один двигатель внутреннего сгорания содержит десятки компонентов, отлитых из песка: блок двигателя, головку блока цилиндров, впускной коллектор, выпускной коллектор, коленчатый вал (во многих конструкциях), корпус дифференциала, корпус трансмиссии, тормозные суппорты и ступицы колес. Типичный легковой автомобиль содержит 150–250 фунтов отливок из железа и алюминия в песчаные формы.

Промышленное оборудование и насосы

Основания станков, корпуса насосов, корпуса компрессоров, корпуса клапанов, рабочие колеса и гидравлические коллекторы широко отливаются в песчаную форму из чугуна, стали и бронзы. Сочетание сложной внутренней геометрии (улитки насоса, камеры клапанов), больших размеров и небольших и средних объемов производства делает литье в песчаные формы оптимальным процессом для подавляющего большинства промышленного оборудования для обработки жидкостей.

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

В то время как в прецизионных деталях аэрокосмической промышленности часто используются литье по выплавляемым моделям или механически обработанные поковки, литье в песчаные формы позволяет производить многие конструкционные компоненты планера, корпуса коробок передач, конструкции гондол и детали наземного вспомогательного оборудования из алюминиевых и магниевых сплавов. Литье в песчаные формы также является основным процессом изготовления крупных артиллерийских компонентов, кронштейнов брони транспортных средств и военно-морской техники, где требования к размерам деталей и сплавам превышают возможности литья по выплавляемым моделям.

Строительство, горнодобывающая промышленность и энергетика

Щеки дробилок, футеровки мельниц, зубья экскаваторов, трубопроводная арматура, крышки люков и ступицы ветряных турбин входят в число быстроизнашивающихся и высокопрочных деталей, отлитых из песка, используемых в этих отраслях. Одна ступица ветряной турбины, обычно отлитая из ковкого чугуна, может весить 15–30 тонн. и требует стабильности размеров и внутренней прочности, которые только хорошо спроектированный процесс литья в песчаные формы без обжига может надежно обеспечить в этом масштабе.