Литейное производство - одно из старейших и в настоящее время основных способов получения металлических изделий и заготовок для различных отраслей промышленности. Литые детали используются не только в машиностроении и приборостроении, они применяются в домостроении и дорожном строительстве, являются предметами быта и культуры. Это обусловлено тем, что этот способ позволяет получать заготовки и детали из различных сплавов, практически любой конфигурации, с любой структурой, макро- и микро-геометрией поверхности, массой от нескольких граммов до сотен тонн, с любыми другими эксплутационными свойствами. При необходимости и экономической оправданности требуемые показатели достигаются без использования других технологических процессов (механической обработки, сварки, термообработки и др.).

Основным направлением совершенствования любого производства является модернизация известных и создание новых технологических процессов, позволяющих уменьшить расход материалов, снизить затраты труда и энергии, улучшить условия труда, устранить или уменьшить вредное воздействие на окружающую среду и, в конечном счете, повысить эффективность производства и качество продукции. В указанном смысле литейное производство не является исключением.

В настоящее время для получения литых деталей уже используется несколько десятков технологических процессов и их вариантов, обладающих достаточно широкой универсальностью или пригодных для изготовления узкой номенклатуры определенных отливок. Исторически сложилось деление этих способов на обычные, под которыми чаще всего подразумевают лишь литье в песчано-глинистые формы, и все остальные –  «специальные виды литья». С увеличением числа различных методов и вариантов получения отливок все острее ощущается необходимость в более четкой и детальной классификации методов по их основным общим признакам. Это позволит систематизировать изложение сущности разных методов, облегчить понимание заложенных в них принципов и создание новых более эффективных способов литья.

Главным признаком для обычного “традиционного” метода литья можно считать важнейшие характеристики основного инструмента технологического процесса – литейной формы. Это, прежде всего, разовая, разъемная литейная форма из дисперсных огнеупорных материалов, упрочняемых механическими, химическими, физическими или комбинированными способами при ее изготовлении.

Дополнительный, обязательный признак – заполнение формы расплавом обычным гравитационным методом сверху из ковша через общепринятую литниковую систему.

Другие характеристики формы (объемная, оболочковая, опочная, безопочная, кесонная и т. д.), составы и свойства формовочных смесей, способы их уплотнения или упрочнения, характеристики отливок и сплавов для их изготовления, масштабы производства и др., определяют лишь варианты этого технологического процесса, типы оборудования для выполнения конкретных операций.

Указанный технологический процесс и варианты его осуществления являются предметом рассмотрения первой части дисциплины  - “Технология литейного производства”.

Из многочисленных разнообразных «специальных видов литья», в первую очередь целесообразно выделить следующие группы – способы, обладающие характерными признаками, отличными  от обычной “традиционной” технологии.

Сначала приведем способы с резко отличными признаками инструмента - литейной формы.

            1. Литье в разовые, неразъемные литейные формы из дисперсных материалов, с сохранением гравитационного метода заполнения формы сверху из ковша через литниковую систему, как в «традиционном» способе.

Отличительной особенностью этих методов является использование разовой модели, которую для удаления из неразъемной формы разрушают каким либо способом до заполнения формы расплавом  или даже в процессе заполнения формы. В эту группу входят методы литья по выплавляемым, выжигаемым, растворимым, газифицируемым моделям. Наиболее распространенным в настоящее время в этой группе является литье по выплавляемым моделям, а новым и развивающимся процессом – литье с использованием моделей из фотополимерных материалов.

            2. Литье в полупостоянные или постоянные разъемные формы, с сохранением гравитационного метода заполнения формы сверху из ковша через литниковую систему.

Общей характеристикой этих методов является разборная литейная форма, состоящая из полупостоянных или постоянных и разовых элементов. Конструкция формы должна позволять извлекать из нее отливку без повреждения многократно используемых элементов формы. Основной метод в данной группе – литье в кокиль. Известен также метод литья в углеродные (графитовые) формы. Могут быть, видимо, и другие материалы, многократно используемых элементов литейной формы.  

Характерными признаками следующих трех групп методов являются дополнительные воздействия на расплав при заполнении формы и затвердевании отливки. Тип и конструкция литейной формы определяется в этих случаях требованиями к отливке и параметрами воздействия на расплав и кристаллизующуюся отливку.

3. Общим признаком методов этой группы являются различные способы дополнительного воздействия на расплав при заполнении формы с целью получения, главным образом, тонкостенных отливок, или отливок, сочетающих массивные и тонкие части:

а) запрессовка металла в форму с высокими скоростями поршневой системой  – литье под давлением. Этот способ обусловливает применение лишь металлических разъемных литейных форм (пресс-форм), который не исключает применение стержней и формообразующих вставок из дисперсных огнеупорных материалов;

б) методы литья под регулируемым, относительно невысоким газовым давлением – литье под низким давлением, с противодавлением, вакуумным всасыванием и др. Эти способы позволяют использовать разъемные и неразъемные литейные формы из любых материалов, обладающих достаточной огнеупорностью и прочностью;

в) центробежное литье фасонных отливок также предполагает возможность использования разнообразных известных конструкций литейных форм. Однако, при центробежном литье тел вращения (труб, втулок, гильз, и др.) обычно используются формы специальной конструкции – изложницы;

г) способы, использующие другие принципы заполнения формы, такие, как литье выжиманием, литье погружением форм в расплав и др.

Конечно, воздействия на заливаемый в форму расплав, отмеченные в пунктах а), б), в) и г), продолжаются и после заполнения формы, что способствует определенному повышению плотности отливок и качеству их поверхности.

Аналогично можно выделить методы, в которых наиболее значимо воздействие на расплав в период кристаллизации, что используют для получения особо плотных отливок и специальной микроструктурой.

4. Литье под всесторонним газовым давлением (автоклавное литье) с использованием литейных форм из различных материалов; литье с кристаллизацией под давлением (жидкая штамповка), где чаще всего используют металлические формы.

5. Методы литья, использующие воздействие на расплав, оказывающее существенное воздействие на формирование микроструктуры отливок. К таким можно отнести методы с использованием электрического и электромагнитного воздействия на расплав, до, вовремя или после поступления расплава в форму,  его ультразвуковой обработки и др.

            6. Методы, основанные на формировании свойств отливок при непрерывных и полунепрерывных процессах литья. К этим процессам можно отнести: непрерывное литье с использованием стационарных и подвижных кристаллизаторов; литье вытягиванием из расплава; полунепрерывное литье, используемые для получения отливок постоянного профиля по длине; электрошлаковое литье;  литье с последовательным заполнением;  литье намораживанием и др., для получения фасонных отливок.

            7. Методы получения отливок с различными специальными свойствами, к которым можно отнести: армированные отливок; изготовление  отливок из композиционных материалов и др.

          В производстве литых заготовок «специальные виды литья» уже сейчас занимают значительное место. Хотя из общего объема производства отливок в тоннах 70…75% получают обычным методом литья в песчаную форму, и только 25…30%  «специальными» методами, это далеко не точно характеризует значение объема производства «специальными видами литья». Этими методами обычно изготавливают некрупные отливки из черных сплавов и подавляющее количество, как правило, более легких отливок из цветных сплавов. Поэтому по количеству получаемых отливок, специальные методы не уступают обычному методу литья в песчаные формы.

Конечно, удельное влияние «специальных видов литья» в промышленности не одинаково. Они обладают разной универсальностью, а ряд из упомянутых выше методов находятся в стадии разработки или освоения. Описать все известные методы в рамках разумного объема одного учебника не возможно. Это задача справочной и другой специальной литературы.

Учебник составлен в соответствии с программой подготовки дипломированных специалистов в высших учебных заведениях, обучающихся по направлению 651400 «Машиностроительные технологии и оборудование», специальности 120300 «Машины и технология литейного производства» и рассматривает вторую часть дисциплины “Технология литейного производства” –  «специальные виды литья». В нем представлены наиболее распространенные в промышленности методы из различных перечисленных групп с акцентом на физическое и физико-химическое существо процессов той или иной технологии, особенности формирования качества отливок, выбор материалов, конструкции оснастки, назначение технологических режимов, применяемое оборудование и средства автоматизации.

Материал изложен с учетом опыта чтения указанного курса и его усвоения студентами МГТУ им Н.Э. Баумана. Он развивает многолетние педагогические традиции, заложенные первым в стране учебным пособием профессора Н.Н. Рубцова “Специальные виды литья”, 1955 г. издания и продолженные его учениками, профессорами Г.Ф. Баландиным и Ю.А. Степановым, другими преподавателями литейной кафедры МГТУ им. Н.Э. Баумана в учебниках по этой дисциплине 1970 и 1983 г.г. издания.

Главы 1,6 (кроме раздела 6.1) написаны - В. А. Рыбкиным; главы 2,4, раздел 6.1 - Э. Ч. Гини, глава 3 - А. М. Зарубиным, глава 5 - В. А. Рыбкиным и А.М. Зарубиным, предисловие совместно.