Литье под давлением: особенности технологии и сферы применения

Технология литья под давлением

Литье под давлением включает использование пресс-форм из стали, в которые заливается расплавленный металл. После заливки расплав остывает, кристаллизуется и принимает нужную форму.

Пресс-формы являются важным элементом литейного процесса. Они состоят из подвижных частей, которые перемещаются по цилиндрическим направляющим, и неподвижных элементов, закрепленных на стационарных плитах.

Процесс начинается с фиксации подвижной части пресс-формы гидравлическим цилиндром. Затем обе части формы скрепляются замками, предотвращающими их движение относительно друг друга. После того как расплавленный металл застывает, подвижная часть формы отодвигается, и отливка извлекается с помощью механического толкателя.

На внутреннюю поверхность пресс-формы, которая контактирует с расплавом, наносится специальная разделительная смазка. Она защищает стальные элементы от перегрева и облегчает отделение готовых деталей от стенок формы.

Процесс литья под давлением осуществляется на автоматизированном промышленном оборудовании. Основным элементом установки является пресс-камера, которая может быть холодной или горячей. Холодная камера представляет собой горизонтально уложенный цилиндр с поршнем и воронкой внутри. Расплавленный металл заливается через воронку.

В камере холодного типа процесс начинается с нагнетания расплавленного металла в пресс-форму с помощью поршня. После заполнения формы давление в камере, создаваемое поршнем, запускает кристаллизацию расплава.

Горячая камера для пресс-форм представляет собой ванну, находящуюся в чугунном тигле, который постоянно подогревается. Поршень выталкивает расплавленный металл из тигля через подогреваемый мундштук в пресс-форму. Излишки металла возвращаются в ванну и могут быть использованы повторно.

Этот метод часто используется для литья сплавов, содержащих цинк и магний.

Методы и виды оборудования для литья под давлением

Технология литья под давлением позволяет создавать детали сложной формы из металла. В этом процессе расплавленный металл заливается в специальную камеру, где создается давление, сжимающее материал. Давление способствует быстрому заполнению стальной пресс-формы расплавом. В камере поддерживается температура до +450 градусов Цельсия. Процесс литья может осуществляться в трех режимах:

1. Низкая скорость (до 2,5 м/с) – применяется для отливки толстостенных изделий.
2. Средняя скорость (до 15 м/с) – позволяет расплаву эффективно заполнять форму и удаляет пузырьки воздуха, требующие высокого давления для устранения.
3. Высокая скорость (более 30 м/с) – может привести к распылению расплава и захвату воздушных пузырьков, что снижает прочность изделий. Для устранения воздуха требуется давление до 500 МПа.

Существует два типа оборудования для литья под давлением:

1. Машины с горячими камерами – используются для сплавов и металлов с температурой плавления до +450 градусов Цельсия. Расплав подается в пресс-формы при помощи поршней, которые создают давление. После заполнения формы поршень движется вниз, расплав кристаллизуется под давлением, а затем форма автоматически раскрывается. Отливки извлекаются механическими толкателями. Частое использование может приводить к поломкам отдельных узлов.
2. Машины с холодными камерами – расплавленный металл заливается в камеру и заполняет пресс-формы под небольшим давлением (до 100 МПа). После кристаллизации формы открываются, и отливки остывают. После удаления стержня изделия, содержащие полости, выталкиваются наружу. Холодные камеры не подходят для создания изделий с тонкими стенками из-за быстрого охлаждения отливок.

Плюсы и минусы литья под давлением

Преимущества технологии литья под давлением:

1. Низкая себестоимость массового производства. Основные затраты связаны с разработкой и изготовлением пресс-форм, в то время как само производство обходится недорого.
2. Экономия металла. Потери при литье под давлением минимальны, в основном они происходят на литник и направляющие. Проблему можно решить установкой спиральных нагревателей, которые предотвращают застывание расплава в литниковых каналах. Такие пресс-формы называют горячеканальными.
3. Высокая точность. Технология литья под высоким давлением позволяет массово изготавливать детали с высокой степенью идентичности.

Недостатки данной технологии:

1. Высокая стоимость оборудования и пресс-форм. Перед началом массового производства необходимо создать прототип изделия и провести тестирование с пробной пресс-формой, что требует значительных затрат и времени.
2. Ограниченные размеры отливок. Литье под давлением не подходит для изготовления крупных деталей, так как это связано с размерами оборудования и пресс-форм. Для создания больших и сложных изделий могут потребоваться сборка из нескольких частей, что требует дополнительных трудозатрат и времени.

Требования к сплавам и качеству литья под давлением

Материалы, используемые для литья под давлением (литейные сплавы), должны соответствовать ряду требований и обладать следующими характеристиками:

• Достаточной прочностью при высоких температурах, чтобы отливки не разрушались при извлечении из пресс-форм.
• Минимальной усадкой.
• Высокой жидкотекучестью.
• Коротким временем кристаллизации.

Эти свойства характерны для сплавов, содержащих цинк, алюминий, магний и медь.

Выбор метода литья определяется формой изделий и требованиями к их качеству:

Литье под давлением позволяет получать изделия высокого качества с точностью размеров от 9-го до 11-го класса в одной части пресс-формы и от 11-го до 12-го класса в двух частях. Шероховатость поверхности отливок зависит от качества формы, времени её использования и свойств металла. Обычно рабочие поверхности пресс-форм полируются до шероховатости (Ra) 0,16 мкм. При производстве до 500 деталей шероховатость может колебаться от 1,25 до 0,63 мкм для цинковых сплавов, от 2,5 до 1,25 мкм для алюминиевых сплавов и от Ra = 2,5 до Rz (мкм) для медных. При массовом производстве (10 000 и более отливок) шероховатость соответственно составляет Ra = 2,5 - 1,25 мкм, Ra = 2,5 - Rz = 20 мкм, Rz от 160 до 80 мкм.

Отливки, полученные методом литья под давлением, имеют неравномерно распределённые механические свойства, однако они значительно превосходят изделия, изготовленные другими способами. Быстрое охлаждение металла формирует литейную корочку толщиной от 1 до 1,5 мм с мелкозернистой структурой, что увеличивает прочность материала на 20–30%.

Наиболее частый дефект литья под давлением — это пустоты, которые могут обнаружиться при последующей механической обработке. Поэтому заготовки либо формируются без последующей шлифовки, либо металл снимается не более чем на 0,5 мм.

Отливки, полученные методом литья под давлением, имеют приливы для толкателей. Для предотвращения деформации и проколов в тонких стенках из-за действия выталкивателей, приливы размещаются на стороне подвижных частей пресс-форм.

Смазочные материалы в литье под давлением

На рабочие поверхности пресс-форм в процессе их подготовки и литья наносят слой смазки, предназначенной для облегчения извлечения готовых отливок и частичной защиты рабочих поверхностей от повреждений, вызванных термическим ударом. Использование специальных смазочных материалов значительно улучшает качество поверхности готовых изделий.

При производстве деталей методом литья под давлением с холодным пуском из свинцовых сплавов применяются разделительные составы – смазки, которые практически не поддаются эмульгированию и удаляются с помощью скиммирования.

В конце прошлого века для литья под давлением в основном использовались жирные смазки на основе минеральных масел, не оставляющих осадков при сгорании. Для литья из алюминиевых сплавов в качестве разделительного состава применяются смеси графита с маслами, воском, вазелином и другими веществами.

Современные смазки (как смешиваемые с водой, так и чистые масла) должны соответствовать следующим требованиям:

1. При микронапылении под давлением смазка должна выполнять все необходимые функции и обеспечивать экономию металла, несмотря на тонкость слоя.
2. Смазка должна обладать различными проникающими свойствами для изделий сложной конфигурации и быть устойчивой к высокой температуре. Она не должна воспламеняться или дымить.
3. Смазка должна способствовать легкому извлечению готовых отливок, оставляя минимальное количество минеральных осадков в пресс-формах.
4. Рабочие поверхности пресс-форм должны легко очищаться от загрязнений и осадков. Остатки смазки не должны мешать окраске и электрохимическому нанесению покрытий.
5. Смазочные материалы должны сохранять эффективность при разведении водой в соотношении от 1:5 до 1:200.
6. Эмульсия, полученная при смешивании смазочного материала с водой, должна быть стабильной и устойчива к воздействию микроорганизмов. Составы должны быть максимально безопасными для здоровья и окружающей среды.
7. Смазочные материалы должны долго удерживаться на рабочих поверхностях пресс-форм, не стекая и не образуя сгустков, и не содержать твердых частиц.
8. Специальные смазочные материалы должны обеспечивать коррозионную защиту пресс-форм и способствовать равномерному охлаждению оснастки и свободному прохождению расплавленного металла по литниковому каналу.

Разделительная смазка наносится перед каждой второй или третьей заливкой расплава. Слой должен быть равномерным и тонким. Качественный результат литейного процесса достигается при соблюдении рекомендованных значений удельного давления при прессовании расплавленного металла в пресс-формах.