Сущность метода литья заключается в том, что расплавленный металл заливают в литейную форму, внутренняя полость которой соответствует очертанию будущего изделия.
Металл, охлаждаясь и затвердевая в форме, принимает заданную конфигурацию. После извлечения из формы литое изделие, если необходимо, подвергают термической обработке. Таким образом, сущность литейного производства заключается в получении металлического сплава в жидком состоянии и в заливке его в заранее приготовленные литейные формы. При изготовлении отливок применяют самые различные сплавы на основе железа, меди, алюминия, магния, титана, цинка и других металлов. Масса изготовляемых промышленностью отливок колеблется от нескольких граммов до сотен тонн.
Операция изготовления отливок делится на пять основных групп:
- выплавка металла,
- изготовление форм и стержней,
- заливка металла и охлаждение отливок,
- первичная обработка отливок (выбивка, очистка, обрубка, термическая обработка),
- контроль качества.
Операции изготовления форм, плавки, заливки, затвердевания, охлаждения отливок и явления, протекающие в этих процессах, называются литейными процессами. Характеристики литейных сплавов, определяющие их поведение при
формировании или изготовлении отливок, а также качество последних, называются литейными, или технологическими, свойствами. В ряде случаев литейные свойства могут совпадать с физическими (температура плавления) или химическими (склонность к окислению при высоких температурах).
В отличие от литейных эксплуатационные свойства сплавов определяют их поведение в условиях эксплуатации литых изделий. К таким свойствам относятся прочность, устойчивость против коррозии, герметичность,
износостойкость и др.
Как и всякая теоретическая дисциплина, формирующая научно-технические законы материального производства, теория литейных процессов должна содействовать научно обоснованному назначению параметров конкретных технологических процессов и прогнозированию результатов этих процессов.
Краткий исторический обзор возникновения теории литейных процессов
Металлические изделия изготовляют литьем, обработкой давлением, механической обработкой, сваркой и пайкой, порошковой металлургией и другими методами.
Производство металлических изделий методом литья – сравнительно простой и недорогой процесс, не требующий больших капитальных затрат. Этим объясняется историческая давность метода и очень широкое его
применение в настоящее время. Литьем получают изделия практически любой массы, габаритов и
сложности из любых металлических и неметаллических материалов.
В современных машинах и механизмах доля литых деталей составляет 40-50 %, а стоимость их 10-15 %. Подавляющая масса металлов в народном хозяйстве в виде элементов конструкции (рельсы, балки, арматура и другие металлоконструкции), на определенной стадии изготовления обязательно проходит через процессы плавки, заливки и затвердевания, т. е. через операции литейного производства.
Литейное производство – одно из наиболее древних ремесел.
В Китае, Индии и Египте найдены отливки, относящиеся ко II-III тысячелетию до нашей эры. Технология их получения в большинстве случаев не выяснена. Есть основания предполагать, что для отливки предметов домашнего обихода
и украшений широко использовали каменные формы. Археологические раскопки в различных районах нашей страны показывают, что в Древней Руси выделение ремесленников-литейщиков относится к VI-VII вв. нашей эры.
Сильно продвинулось вперед развитие литейного производства в период освоения литья колоколов, пушек и ядер к ним. В течение длительного времени основными литейными материалами были золото, серебро и олово. Лишь в конце XVII в. на Западе, а с начала XVIII в., в эпоху Петра I, и в России начинается освоение нового литейного материала – чугуна для отливок промышленного и военного назначения. К концу XVIII в. чугун стали применять как основной сплав
в литейном производстве. Примерно в середине XIX столетия произошли изменения в технологии изготовления
литейных форм. Вместо глинопесчаных смесей для изготовления форм стали применять песчано-глинистые смеси, изготовление форм из них в несколько раз быстрее и легче. Производство стальных отливок было начато в конце XIX в. В России его основоположником был П. Н. Аносов. Трудами А. С. Лаврова и Д. К. Чернова была заложена научная основа получения литых изделий из стали. Описание и систематизация производственного опыта приготовления
слитков и отливок в научно-технической литературе начинаются в XVIII в., а первые эксперименты по исследованию формирования отливок и слитков и анализ этих процессов приведены в трудах выдающихся металлургов XIX в.
П. П. Аносова (1797-1851), А. С. Лаврова (1838-1904), Д. К. Чернова (1839-1921). Специальная книга по литейному производству впервые издана в России А. Ф. Мевиусом в 1859 г. Разработка научных основ литейного производства началась в конце 20-х - начале 30-х годов XX в. Из советских ученых, внесших наиболее крупный вклад в становление теории литейного производства, необходимо назвать В. Е. Грум-Гримайло (1864-1928), М. Г. Емангулова (1870-1935),
Н. П. Аксенова (1878-1940), Н. Н. Рубцова (1882-1962), Л. И. Фанталова (1883-1968), А. Г. Спасского (1895-1970), Ю. А. Нехендзи (1901-1968), П. П. Берга (1897-1974) и др.
Во время Первой мировой войны получает развитие фасонное литье из алюминиевых сплавов, начинают широко применяться металлические литейные формы (кокили). В 20-х годах XX в. осваивают фасонное литье из магниевых сплавов, в 30-х годах – литье под давлением из алюминиевых, магниевых и медных сплавов. Появились заменители оловянистых бронз – алюминиевые и марганцевые бронзы. В 40-х годах начали применять способ литья по восковым моделям, что связано с получением сложных фасонных отливок из жаропрочных, трудно обрабатываемых резанием сплавов на основе никеля, кобальта и железа. Несколько позже стали применять литье в оболочковые формы.
Бурное развитие атомной, реактивной и космической техники в 50-60-е годы XX в. потребовало освоения производства отливок из тугоплавких и радиоактивных металлов и сплавов на их основе. Наряду с развитием фасонно-литейного
производства совершенствовалось производство слитков как самостоятельный процесс, и начался массовый выпуск рельсов, балок и других изделий методами обработки металлов давлением. Вначале слитки отливали в чугунные изложницы, примерно в 30-40-х годах стали применять водоохлаждаемые (для слитков из цветных сплавов)
изложницы. В 40-х годах алюминиевые и магниевые слитки начали получать только способом непрерывного литья. В настоящее время этим способом получают значительную долю слитков из медных, никелевых и железных сплавов.
Огромное влияние на развитие литейного производства оказали советские ученые А. А. Байков, Н. Н. Рубцов, А. А. Бочвар, А. Г. Спасский, Ю. А. Нехендзи, Н. Г. Гиршович, А. А. Рыжиков, А. А. Горшков, Б. Б. Гуляев,
Л. И. Леви, Г. Ф. Баландин, А. И. Вейник, П. Ф. Василевский, С. С. Жуковский, А. А. Жуков, Ю. П. Васин, Г. И. Тимофеев, Д. Н. Худокормов, Н. Н. Александров, Б. С. Мильман, Н. И. Ключиев и др. В самостоятельную научную дисциплину теория литейных процессов выделилась в середине 50-х годов по инициативе Б. Б. Гуляева.