Высокие требования, предъявляемые современной техникой к качеству литых изделий, вызывают необходимость постоянного совершенствования литейных технологий, способствуют расширению масштабов научных исследований по созданию новых материалов, технологических процессов и оборудования. Изменения, произошедшие в последние годы в этой отрасли, связаны прежде всего с широким внедрением новейших компьютерных технологий, которые во многом изменили процесс производства отливок на всех этапах технологической цепочки, начиная от конструирования отливки и кончая ее кристаллизацией в форме.

ЛИТЕЙНЫЕ ИННОВАЦИИ

Высокие требования, предъявляемые
современной техникой к качеству литых изделий,
вызывают необходимость постоянного
совершенствования литейных технологий,
способствуют расширению масштабов научных
исследований по созданию новых материалов,
технологических процессов и оборудования.
Изменения, произошедшие в последние годы в этой
отрасли, связаны прежде всего с широким
внедрением новейших компьютерных технологий,
которые во многом изменили процесс производства
отливок на всех этапах технологической цепочки,
начиная от конструирования отливки и кончая ее
кристаллизацией в форме.

Геннадий Зак

Ранее литейное производство, являясь
базовым в обеспечении качества
машиностроительной продукции, полагалось
преимущественно на практический опыт
технологов, которые в свою очередь добивались
положительных результатов при отработке сложных
технологий методом проб и ошибок, что
сопровождалось значительными материальными
затратами.

Но чтобы исключить появление дефектов в
отливке, необходимо учитывать влияние многих
факторов на процессы литья. Таких, как геометрия
отливки и ее расположение в форме, особенности
литниковой системы, температура расплава и
скорость заполнения формы, управление скоростью
теплопередачи и т.д. И в каждом отдельном случае
обучение высококвалифицированного
инженера-технолога литейного производства
дорого обходится предприятию.

Эффективным решением этой проблемы в
мире является компьютерное моделирование
литейных технологий. И сегодня уже можно
говорить о реальной экономии времени и
материальных ресурсов на этапе проектирования
оснастки и геометрии отливки с использованием
этих технологий. Современные программы
компьютерного моделирования, основанные на
физических теориях тепловых, диффузионных,
гидродинамических и деформационных явлений,
способны адекватно имитировать многие процессы,
происходящие при заполнении расплавом формы, а
также при кристаллизации многокомпонентных
сплавов и дальнейшем охлаждении отливки.

Наиболее известные в настоящее время
системы компьютерного моделирования
различаются своими функциональными
возможностями, количеством моделируемых
технологий, учитываемых при этом технических
параметров, и, как следствие, их стоимостью.

Программы компьютерного

моделирования для оптимизации
процессов конструирования

отливок

Среди компьютерных систем
моделирования, предлагаемых западными
разработчиками, хорошо зарекомендовала себя
программа ProCast, которая способна моделировать
процессы, происходящие при всех видах литья,
включая самые современные, такие, как Thixocasting. Эта
программа применима для любых литейных сплавов.
В мире с ней работают более 250 фирм, что с учетом
ее высокой стоимости достаточно неплохой
показатель.

Для отечественных производителей литья
может представлять интерес система LVMFlow,
созданная в лаборатории Математического
моделирования УдГУ (Ижевск) и ориентированная на
платформу РС с Windows NT/98/95. Сотрудничество со
шведской фирмой NOVOCAST AB позволило довести эту
программу до уровня требований мирового рынка.
Эта система удобна и проста в эксплуатации. Все
геометрические файлы передаются в литейные
моделирующие программы в формате STL и могут быть
экспортированы из любой внешней CAD-системы.
Достоверные результаты моделирования, их
наглядное представление, широкие возможности,
удобный интерфейс и разумная цена привели к
коммерческому успеху этой программы не только в
СНГ, но и в странах дальнего зарубежья, таких, как
США, Канада, Швеция, Норвегия, Австралия, Турция.
По сведениям разработчиков, начиная с 1993 г. в этих
странах было установлено более 100 таких систем.
Для отечественных специалистов, работающих в
литейном производстве, немаловажно, что
терминология меню и диалогов этой программы
привычна и понятна, а при возникновении
затруднений можно воспользоваться справочной
системой без искажения содержания, как это часто
имеет место при сложных технических переводах.

Следующим шагом в развитии современного
литейного производства (после широкого
внедрения программ компьютерного моделирования
для оптимизации процессов конструирования
отливок) явилось создание технологий,
позволяющих быстро и экономически эффективно
получать прототипы новых изделий, которые по
своим свойствам, а главное, по методу
производства, максимально приближены к
конечному продукту. Эти технологии известны под
именем Rapid Prototyping (см. "Металл" №1, 2002). С 1987 г.,
который считают началом эры индустриального
использования технологии Rapid Prototyping, в мире было
продано более 4000 подобных устройств. Ежегодные
темпы роста продаж на рынке RP-систем превышают 50%,
являющиеся завидным результатом с учетом того
обстоятельства, что цена установок колеблется в
пределах от 50 тыс. до 700 тыс. EUR, в зависимости от их
типа и комплектации.

Современные методы

получения отливок

Среди современных методов получения
отливок из цветных сплавов лидируют методы литья
под давлением, на которые приходится 70%
производимой продукции. За ними следуют
кокильное литье и литье в песчаные формы. Их доля
составляет 16 и 14% соответственно. Несмотря на
такое распределение ролей, наибольший прирост в
темпах внедрения в последнее время, по оценкам
немецких экспертов, наблюдается в кокильном
литье. Начиная с 1998 г. он ежегодно составляет
около 5%. Для литья под давлением этот показатель
значительно скромнее. Он находится на уровне 1,5%.

Среди кокильного литья наибольшими
темпами развивается литье с поворотом формы. При
этом методе, получившем название
Rotacast-технология, обеспечивается спокойное
заполнение формы и хорошее питание отливки, что в
свою очередь способствует получению изделий с
низкой пористостью и с малой усадочной
раковиной. Применение этой технологии позволяет,
например, для алюминиевых сплавов в литом
состоянии добиваться механических свойств на
уровне, достижимом для них только после
термообработки по режиму Т6. Эта технология на
многих фирмах с успехом применяется для
серийного производства головок цилиндров
дизельных двигателей.

Широкие возможности для повышения
качества отливок открывает метод литья под
низким регулируемым давлением. По некоторым
оценкам, доля этого метода литья для
производства деталей автомобильных двигателей
из алюминиевых сплавов достигает около 60%. На
мировом рынке отлично зарекомендовали себя
формовочные машины фирмы Disamatic, которые сделали
возможным получать по этой технологии отливки из
алюминия с толщиной стенки 1,5 мм. Разработанная
фирмой система Multi Pouring позволяет заливку
песчаных форм под низким давлением без поворота
или с поворотом формы на 180°.

Большие резервы для улучшения
механических свойств алюминиевых сплавов имеет
применение методов вакуумного литья под
давлением. При этом вполне реально после
проведения соответствующей термообработки
получить, например, для сплава AlSi10Mg величину
относительного удлинения до 15%. Этим способом в
настоящее время производят большую номенклатуру
деталей для кузовов легковых автомобилей. Эти
детали могут соединяться сваркой, что
значительно удешевляет процесс производства в
целом.

Среди наиболее современных методов
литья можно назвать Squeeze Casting и Thixocasting. При Squeeze
Casting процесс получения отливки аналогичен литью
под давлением. Различие состоит в том, что
заполнение металлом формы происходит
значительно медленнее, а при кристаллизации
целенаправленно увеличивают давление, что
положительно сказывается на механических
свойствах получаемых изделий. Это относится
прежде всего к усталостной прочности при
знакопеременных нагрузках. Технология Squeeze Casting
применяется в настоящее время для получения
отливок с толщиной стенки, превышающей 4,5 мм. Этот
метод также очень хорошо подходит для получения
изделий из композиционных материалов, особенно с
магниевой или алюминиевой матрицей. В качестве
упрочняющей фазы превосходно зарекомендовали
себя частицы и волокна SiC и Al2O3, содержание
которых может достигать до 25%. Прочность таких
материалов, например, с магниевой матрицей лежит
в пределах 260-280 MPa. Следует отметить, что литейные
машины для технологии Squeeze Casting довольно дороги.
Их стоимость достигает до 1 млн. USD.

Технология Thixocasting предусматривает
формирование отливки из специальной заготовки,
находящейся в момент прессования в жидко-твердом
состоянии. Этот метод отличается высокой
производительностью и позволяет получать
отливки высокого качества, не уступающие по
механическим свойствам кованым изделиям и
имеющим конфигурацию и размеры, максимально
приближенные к конечным продуктам. Алюминиевые
отливки, полученные этим методом,
характеризуются высокой гидроплотностью, их
можно термообрабатывать и соединять сваркой. На
сегодняшний день по технологии Thixocasting в литейных
цехах получают для автомобильной промышленности
тормозные цилиндры, детали для устройства
впрыскивания топлива, педали, многие элементы
ходовой части автомобиля.

Основная проблема для литья Thixocasting
заключается в том, что к заготовкам для этого
процесса предъявляются очень высокие
требования. Это относится к необходимости
обеспечения высокой точности соблюдения
оптимальной температуры при деформации, а также
к степени равномерности нагрева по длине и
сечению заготовки. Кроме того, обычные заготовки
с дендритной структурой непригодны для этого
вида литья, так как при их нагреве не удается
добиться хорошего течения материала и точного
воспроизведения контуров конечного изделия.
Поэтому в настоящее время перед специалистами
стоит задача научиться экономически эффективно
и качественно получать заготовки для Thixocasting в
количествах, удовлетворяющих потребности
массового производства. Для решения этой
проблемы хорошо зарекомендовало себя
непрерывное литье алюминиевых сплавов с
магнито-динамическим перемешиванием расплава в
процессе его кристаллизации. Известен также
SiMA-метод, при котором алюминиевые заготовки,
полученные методом непрерывного литья,
подвергаются холодной деформации с последующим
их нагревом. Преимуществом этого метода является
мелкозернистая структура заготовок, что в свою
очередь положительно отражается на качестве
конечной продукции.

Перспективы магниевого литья

Методы литья под давлением широко
применяются и для магниевого литья, которое в
последние годы переживает бурный расцвет. По
оценкам Interantional Magnesium Association на период до 2004 г.,
ежегодный рост объемов производства магниевых
сплавов методом литья под давлением будет
составлять 12%. В настоящее время годовое
потребление магниевого литья
автомобилестроением составляет около 90 тыс. т в
год. Из магниевого литья в автомобильной
промышленности изготавливается свыше 20 деталей
различного назначения, например, корпус для
коробки передач, крышка головки блока цилиндров,
руль, колонка рулевого управления, боковая и
задняя двери, каркас для сидения и др.

Об огромном потенциале магниевого литья
свидетельствуют результаты исследований,
проведенные в прошлом году специалистами фирмы
Ford. Они установили, что в модели Contour/ Mondeo свыше 80
деталей из алюминия, стали или пластмассы могут
быть заменены на отливки из магниевых сплавов,
полученные литьем под давлением. При этом, если
по прогнозам вес магниевого литья в автомобиле
ближайшего будущего составит 10% от его массы. т.е.
около 100 кг, то при мировом производстве
автомобилей в 55-56 млн. штук можно себе
представить просто гигантский потенциал для
развития производства деталей из этого металла.
Для украинских фирм – производителей магниевого
литья важно не упустить открывающиеся перед ними
возможности расширения этого рынка, что позволит
занять на нем в дальнейшем неплохие позиции.

На современных машинах литья под
давлением с холодной камерой прессования в
настоящее время льют отливки весом до 60 кг. В
машинах с горячей камерой прессования получают
изделия весом до 5 кг. При этом достигается
производительность процесса до 100 прессований в
час, а минимальная толщина стенки отливки
составляет 0,6 мм. По сравнению с литьем под
давлением алюминиевых сплавов эти процессы
характеризуются большей продолжительностью
использования литейных форм и значительно
большей производительностью процесса. Поэтому
их доля в общем объеме цветного литья для
автомобильной промышленности будет возрастать.

Кроме автомобилестроения, значительный
сегмент рынка магниевого литья под давлением
приходится на производство корпусов различных
изделий для электронной промышленности,
например, мобильных телефонов, переносных
компьютеров, видео- и аудиотехники. При
многомиллионном количестве этих изделий их доля
в мировом производстве магниевого литья, которое
оценивается в 110 тыс. т в год, составляет около 15%.
Остальная часть приходится на авиакосмическую
промышленность – традиционного потребителя
магния.

Среди магниевых сплавов для литья под
давлением наибольшее применение находит сплав,
который по стандарту ASTM (American Society for Testing and Мaterials)
имеет маркировку AZ91. Он содержит 9% алюминия и 0,7%
цинка. Прочность при растяжении этого материала
превышает 200 MPa, однако его пластичность на уровне
3% недостаточна для изготовления деталей, к
которым применяются повышенные требования по
безопасности. Для этих целей используют сплавы
серии АМ60 и АМ20, содержащие соответственно 6,5 и 2%
алюминия. Общим недостатком названных сплавов
является их низкая жаропрочность. Рабочая
температура не должна превышать для них 120 °C.
Магниевые сплавы класса AS21 AS41, содержащие в своем
составе кремний, а также сплав AE42 (4% алюминия и 2,5%
РЗМ ) могут работать при температурах до 150 °C.
Однако их общими серьезными недостатками
являются низкая коррозионная стойкость и плохие
литейные свойства.

В последние годы были созданы
специальные жаростойкие магниевые сплавы WE54, WE43,
ZE41 и QE22. Они могут упрочняться термообработкой,
хорошо свариваются и могут работать при
температуре до 350 °C. Но и здесь не удалось пока
решить все проблемы. Эти материалы дороги (до 20
USD/кг), плохо обрабатываются, а изделия из них
могут быть получены только при литье в землю.
Таким образом, несмотря на хорошие перспективы
магниевых сплавов, специалистам-литейщикам еще
многое предстоит сделать при разработке их новых
составов.

Производство песчаных

форм и стержней

Анализ специальной литературы
показывает, что за последние годы при
производстве песчаных форм и стержней не было
достигнуто сколь либо значительных
инновационных изменений существующих
технологий, хотя можно отметить некоторые успехи
при их совершенствовании.

При изготовлении холоднотвердеющих
форм, как и прежде, доминируют технологии, в
которых в качестве связующего используют
фурановые смолы. Феноловые смолы за счет
улучшения экологических характеристик смогли в
некоторой степени вернуть себе ранее утраченные
позиции и по своему распространению занимают
второе место.

Среди машинных методов изготовления
стержней возросло использование
Urethan-Cold-Box-процесса, а также получили дальнейшее
развитие такие технологии, как Epoxid-SO2 и Resol-CO2. В то
же время продолжали терять свое значение
процессы производства горячетвердеющих форм и
стержней. Среди этих технологий при общей
тенденции сокращения их применения доминирует
SO2-метод, который в 2000 г. имел прирост
приблизительно в 2 раза.

С экологической точки зрения хорошие
перспективы по-прежнему имеют жидкостекольные
смеси. В Японии была разработана вакуумная
установка для производства стержней с
отверждением продувкой CO2, которая позволила
снизить содержание жидкого стекла на 50%. В
последние годы наблюдается, однако, стремление
заменить технологии, использующие этот газ на
более эффективные решения. В этом смысле хорошее
будущее предсказывают процессам, в которых для
отверждения жидкостекольных смесей используют
микроволновые печи.

Неплохие результаты были получены при
совершенствовании методов литья в оболочковые
формы. В настоящее время этим способом можно
получать отливки весом до 150 кг и более одного
метра длиной. При этом были достигнуты не только
хорошие экономические показатели, но и
значительно улучшены экологические
характеристики для этих процессов. Это относится
к снижению энергетических затрат и к заметному
уменьшению количества вредных газов,
выбрасываемых в атмосферу при заливке
оболочковых форм.

Согласно данным специального
исследования, проведенного American Foundrymen’s Siciety,
великолепные перспективы на американском рынке
в ближайшие годы будет иметь литье по
газифицируемым моделям. В 2000 г. в Америке был
зафиксирован рост производства цветного и
черного литья этим способом на 83%, а насыщение
рынка ожидается не раньше 2007 г.