Литейные формы. 
Материаловедение и технология конструкционных материалов. 
Штамповочное и литейное производство

Общие сведения о литейных формах

Для получения отливок при любом способе литья необходима литейная форма, которая определяет наружные и внутренние контуры отливок. Литейные формы изготавливают из различных материалов и в зависимости от свойств последних подразделяют на две группы: разовые и постоянные. Разовые формы используют для получения одной отливки, при извлечении которой форму разрушают.

Для изготовления разовых форм применяют песчано-глинистые, песчано-масляные, термореактивные и другие формовочные смеси. Разовые формы могут быть сухими и сырыми. По толщине стенки их подразделяют на толстостенные (толщина стенок 25… 250 мм и более), тонкостенные и оболочковые (толщина стенок.

5… 10 мм). К разовым формам относятся также неразъемные формы, используемые, в частности, при литье по выплавляемым моделям. Постоянные металлические формы широко используют в серийном и массовом производстве отливок в основном из цветных металлов и сплавов. Материалом для этих форм могут быть чугун, сталь или алюминиевые сплавы. Постоянные формы применяют при специальных способах литья — кокильном, центробежном, под давлением и др.

При всех способах литья (за исключением литья по выплавляемым моделям) форма имеет один или несколько разъемов. При выборе литейной формы исходят из назначения, характера отливок и серийности их выпуска.

Конструкция литейной формы и материал, из которого она изготовлена, оказывают большое влияние на характер формирования отливок и на их качество. Материал формы должен обладать достаточной податливостью, хорошо противостоять статическому и динамическому воздействиям жидкого металла. Форма должна быть достаточно газопроницаема — хорошо пропускать воздух, газы и пары, образующиеся при заливке жидкого металла; податливой — не оказывать большого сопротивления усадке. Формирование основных свойств отливки (плотности, структуры, механических свойств, стабильности размеров и параметров шероховатости поверхности) обусловлено протеканием процессов взаимодействия металла отливки и формы в процессе заливки формы, затвердевания и охлаждения отливки.

Процесс затвердевания в значительной степени зависит от условий теплообмена между металлом и формой. Отличительная особенность разовых форм — их низкая по сравнению с металлом отливки теплоаккумулирующая способность. Процессы кристаллизации и охлаждения протекают в естественных условиях медленно, в результате чего структура отливок становится неравномерной. Поэтому наиболее плотный и качественный металл с наилучшими механическими свойствами расположен вблизи от поверхности отливки; в центральных слоях — структура крупнозернистая, механические свойства пониженные. Повышенная скорость охлаждения способствует улучшению качества отливки, структура получается более мелкозернистой, что существенно повышает механические свойства отливки.

В то же время при литье в металлические формы чугунные отливки, как правило, получаются с отбеленным поверхностным слоем и остаточными внутренними напряжениями, что затрудняет их механическую обработку и требует дополнительной термической обработки.

Охлаждение жидкого металла, его затвердевание, а также последующее охлаждение в твердом состоянии связаны с сокращением объема отливки. При кристаллизации по внешнему контуру в первую очередь образуется твердая корка. Затвердевший контур отливки можно рассматривать как сосуд, в котором заключена имеющая более высокую температуру жидкость. В процессе затвердевания и охлаждения объем жидкости и твердая корка сокращаются, но в разной степени. Результатом этой разницы является образование в отливке свободных от металла полостей, которые называются усадочными. Различают два вида усадочных полостей — раковины и поры. Усадочные раковины сосредоточиваются в частях отливки, которые затвердевают в последнюю очередь; усадочная пористость располагается в относительно большой зоне отливки. В процессе охлаждения из-за усадки происходит сокращение линейных размеров отливки, т. е. происходит линейная усадка, которая может вызвать появление в металле внутренних литейных напряжений, деформацию отливки и трещины. Сплошность металла может нарушаться не только в результате образования усадочной пористости, но и в результате попадания в кристаллизующийся металл пузырьков газа.

После заливки металла в форму на границе их соприкосновения создается повышенное газовое давление, иногда достаточное для «проталкивания» газов в металл. Если форма пористая, то часть газов через поры формы вытесняется в окружающую среду. Если же форма обладает низкой газопроницаемостью, то внутри отливки образуются газовые раковины и поры. Песчаные разовые формы — тела пористые, хорошо пропускают газ и воздух, металлическая форма практически не обладает газопроницаемостью, поэтому при ее использовании возможность получения отливок с повышенной газовой пористостью более вероятна.

Если материал детали, изготавливаемой литьем, обладает пониженными литейными свойствами, то для получения качественной заготовки целесообразно использовать литье в разовые формы.

Вторым важным фактором, обусловливающим получение отливок без внутренних дефектов, является соблюдение правил литейной технологии, обеспечение хорошего заполнения и питания формы.