Литейные процессы

Москва  2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА 
 
Кафедра литейных технологий и художественной обработки 
материалов

ЛИТЕЙНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Учебное пособие

Под общей редакцией проф. В.Д. Белова

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3532

УДК 621.74 
 
Л64

Р е ц е н з е н т ы: 
д-р техн. наук, проф. В.А. Кечин  
(Владимирский государственный университет им. Столетовых); 
д-р техн. наук, проф. А.Е. Семин

А в т о р ы: 
А.И. Батышев, В.Д. Белов, С.В. Лактионов,  
М.В. Пикунов, С.А. Сироткин, Э.Б. Тен

 
Литейные процессы : учеб. пособие / А.И. Батышев 
Л64  
[и др.] ; под общей ред. В.Д. Белова. – М. : Изд. Дом 
НИТУ «МИСиС», 2019. – 290 с.
ISBN 978-5-907226-01-2

Кратко изложены общие вопросы основ теории и технологии литейных процессов, производства отливок из стали, чугуна и сплавов 
цветных металлов. Приведены примеры расчетов при назначении 
припусков на литые детали литниковых систем и прибылей, технологического процесса литья в песчаные формы и некоторых специальных способов литья, а также упражнения, задачи и тестовые задания 
для выполнения на практических занятиях и при самостоятельной 
работе обучающихся над изучаемым материалом. Даны рекомендации к выполнению упражнений, примеры решения задач, задачи для 
самостоятельной работы и ответы на них, а также вопросы тестовых 
заданий с ответами.
Учебное пособие предназначено для обучающихся в  бакалавриате 
по направлению подготовки 22.03.02 «Металлургия» (профиль «Технология литейных процессов»). Оно может быть полезным для обучающихся по направлению подготовки 15.03.01«Машиностроение» 
(профиль «Машины и технология литейного производства»).

УДК 621.74

 Коллектив авторов, 2019
ISBN 978-5-907226-01-2
 НИТУ «МИСиС», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................ 5

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССОВ ................... 6
1.1. Свойства металлических расплавов. Процессы, 
происходящие при плавке ................................................ 6
1.2. Процессы и явления в неподвижном и движущемся 
расплаве ........................................................................ 8
1.3. Кристаллизация сплавов. Затвердевание отливок.......... 9
1.4. Литейные свойства сплавов ...................................... 20
Упражнения, задачи и тестовые задания ....................... 21

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛИТЕЙНЫХ  
ПРОЦЕССОВ ................................................................... 31
2.1. Технологичность отливок ........................................ 31
2.2. Точность отливок .................................................... 44
2.3. Литье в песчаные формы .......................................... 48
2.4. Разработка чертежа отливки .................................... 51
2.5. Проектирование и расчет литниковых систем ............. 66
2.6. Выбор и расчет прибылей ......................................... 75
2.7. Специальные способы литья ..................................... 81
Упражнения, задачи и тестовые задания ......................106

3. ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ СТАЛИ И ЧУГУНА ........154
3.1. Структура железоуглеродистых сплавов ...................154
3.2. Производство отливок из стали ................................154
3.3. Производство отливок из чугуна ..............................159
3.4. Методы получения высокопрочного чугуна ...............183
Упражнения, задачи и тестовые задания ......................187

4. ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ИЗ СПЛАВОВ ЦВЕТНЫХ 
МЕТАЛЛОВ ...................................................................208
4.1. Производство отливок из алюминиевых сплавов ........208
4.2. Производство отливок из медных сплавов .................217
4.3. Производство отливок из магниевых сплавов .............222
4.4. Производство отливок из титановых сплавов .............227
4.5. Производство отливок из никелевых сплавов .............231
4.6. Производство отливок из цинковых сплавов ..............233
Упражнения, задачи и тестовые задания ......................234

5. КАЧЕСТВО ОТЛИВОК .................................................253
5.1. Дефекты отливок ...................................................253
5.2. Методы контроля качества отливок ..........................267
5.3. Методы исправления дефектов отливок ....................276

ОТВЕТЫ НА ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ .................................280

ОТВЕТЫ НА ЗАДАЧИ 2.1–2.16 ........................................282

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................283

ПРИЛОЖЕНИЯ .............................................................286

ПРЕДИСЛОВИЕ

В учебных планах обучающихся в бакалавриате по всем специальным дисциплинам профиля «Технология литейных процессов» (направление 22.03.02 «Металлургия») кроме лабораторных работ предусмотрены практические занятия.
В учебном пособии приведены упражнения, задачи и тестовые задания по основам теории и технологии литейных процессов, производству отливок из стали, чугуна и сплавов цветных 
металлов. В разделе, посвященном дефектам отливок, контролю 
их качества и методам исправления предусмотрены только тестовые задания.
Учебное пособие состоит из пяти разделов, в каждом из которых сначала излагается общая (теоретическая) часть рассматриваемого материала с применением необходимых расчетов для 
конкретных отливок или условий их формирования. Затем предлагаются упражнения, включающие примеры решений задач, 
задачи для самостоятельной работы и тестовые задания для проверки знаний. Ответы на тестовые задания и некоторые задачи 
приведены на последних страницах пособия.
При подготовке учебного пособия были использованы как новые материалы, так и учебно-методические пособия для практических занятий, разработанные ранее для отдельных дисциплин 
преподавателями кафедры «Технология литейных процессов» 
НИТУ «МИСиС». Кроме них, авторами были проанализированы 
аналогичные учебные пособия, изданные в других высших учебных заведениях России.
Авторы выражают благодарность канд. техн. наук Е.А. Герасименко за помощь при оформлении рукописи учебного пособия.

1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЛИТЕЙНЫХ 
ПРОЦЕССОВ

1.1. Свойства металлических расплавов. 
Процессы, происходящие при плавке

Для приготовления сплавов необходимо знать и учитывать 
многие физические и химические свойства как чистых металлов, 
так и получаемых сплавов. Важнейшими свойствами являются 
температура плавления, плотность, давление пара, вязкость, поверхностная энергия, взаимодействие с газами и огнеупорными 
материалами, тепловые эффекты при сплавлении. Температура 
плавления сплавов определяется по соответствующей диаграмме 
состояния. Состав сплава (содержание компонентов) может быть 
выражен в процентах по массе, атомных процентах и атомных 
долях.
В первом приближении сплавы в жидком состоянии можно 
считать идеальными растворами, а в твердом состоянии – идеальными растворами или механическими смесями. Поэтому для 
определения плотности сплава можно использовать закон аддитивности, которому подчиняется удельный объем сплава – величина, обратная плотности. При этом содержание компонентов 
должно быть выражено в процентах по массе.
При рассмотрении тепловых эффектов образования сплавов 
подразумевается, что процессы протекают в адиабатических 
условиях, т.е. без теплообмена с окружающей средой. Поэтому 
выделенная или поглощенная теплота расходуется только на нагрев или охлаждение заданного количества расплава. 
Величина DН – теплота образования сплава или смешивания 
может быть больше или меньше нуля. Если DН < 0, то образование сплава сопровождается экзотермическим эффектом и расплав разогревается. При DН > 0 расплав охлаждается.
Масса 1 моля сплава складывается из суммы произведений 
атомной доли каждого компонента на его атомную массу. В случае, если состав сплава выражен формулой АхВу, ее необходимо 
привести к такому виду, чтобы х + у = 1. В этом случае х и у будут атомными долями. Например, имеется сплав, состав кото

рого соответствует формуле А3В2. Это равносильно выражению 
А0,6В0,4, где 0,6 и 0,4 являются атомными долями А и В в сплаве.
Парциальное давление пара i-го компонента сплава равно

 
⋅
g
=
⋅
о
,
i
i
i
i
р
р
N
 
(1.1)

где р°i  – давление пара чистого компонента, Па; 
 
Ni – его атомная доля в сплаве;
 
gi – коэффициент активности. 

Если в условии задачи не указана величина коэффициента 
активности, его следует принимать равным 1. Общее давление 
равно робщ = Σрi.
Масса компонента, находящегося в паре над сплавом при равновесии между конденсированной фазой и паром, равна

 
=
⋅
пар
,
i
i
i
m
n
A  
(1.2)

где Аi – атомная масса компонента;
 
ni – количество молей данного компонента в паровой фазе.

Величину ni находят из уравнения Клапейрона – Менделеева:

 
⋅
=
⋅
,
i
i

p V
n
R T  
(1.3)

где V – объем паровой фазы;
 
R – газовая постоянная;
 
Т – температура, К.

При плавке чистого металла в вакууме (остаточное давление 
менее 10 Па) для определения количества испарившегося вещества m необходимо использовать уравнение Ленгмюра 

 
=
°⋅ °⋅ ⋅
⋅p⋅
⋅
,
2A
m
p
F
t
R T  
(1.4)

где р° – давление пара металла, Па;
 
Fo – площадь испарения, м2;
 
t – время, с;
 
А – атомная масса вещества (пары металлов одноатомны).

В случае, если необходимо определить массу какого-либо компонента сплава, испарившегося из расплава, необходимо учесть его 

парциальное давление. В выражении (1.4) имеется атомная масса 
компонента, которая является переменной величиной в условиях 
испарения. Поэтому удается рассчитать лишь скорость испарения 
в начальный момент, когда Ni задано исходным составом сплава. 
Давление рпуз в пузырьке газа радиусом r, находящемся в расплаве плотностью r на глубине от поверхности h, равно

 
⋅s
= r⋅
⋅
+
+
пуз
вн
2
,
p
g h
p
r
 
(1.5)

где g – ускорение силы тяжести;
 
s – межфазная энергия на границе газ–расплав.

Первый член в уравнении (1.5) отражает металлостатическое 
давление, второй – капиллярное давление (формула Лапласа), 
третий рвн – внешнее давление над расплавом. Если газовый пузырек в расплаве находится на подкладке, не полностью смачиваемой расплавом, капиллярное давление составляет

 
=
⋅s⋅
q
кап
2
cos
,
р
r  
(1.6)

где q – краевой угол смачивания расплавом материала подложки;
 
r – радиус сферической части пузырька.

1.2. Процессы и явления в неподвижном 
и движущемся расплаве

Опираясь на законы Архимеда и Паскаля, можно определить 
давление или силы, действующие в заполненной расплавом литейной форме, и оценить возможность проникновения расплава 
в поры материала песчаной литейной формы. Для этого следует 
рассчитать капиллярное давление, возникающее в порах, имеющих вид цилиндра радиусом r , где мениск жидкости имеет сферическую поверхность радиусом r (см. формулу (1.6)).
В плоском зазоре толщиной d, где мениск имеет цилиндрическую поверхность,

 
=
= s⋅
q
⋅d
кап
цил
сos
0,5
,
р
р
 
(1.7)

где s – поверхностное натяжение жидкости на границе с газом, 
заполняющим зазор шириной d.

При расчетах необходимо учитывать знак косинуса угла q. 
При q < 90° величина cosq положительна и давление ркап > 0. Это 
означает, что жидкость самопроизвольно заполняет пору или зазор. Если q > 90°, то cosq < 0 и ркап  < 0. В таких условиях капиллярное давление препятствует заполнению жидкостью поры или 
зазора. Заполнение становится возможным, если статическое 
давление жидкости окажется больше капиллярного, т.е. если 
рст = r ⋅ g ⋅ h > ркап. Для пористого материала внешнее давление не 
учитывается, так как оно действует по обеим сторонам поверхности мениска: и со стороны жидкости, и со стороны газовой среды 
в поре или зазоре. В задачах, отражающих поведение движущегося расплава, рассматриваются процессы опорожнения разливочного ковша, фильтрации расплава и заполнения им рабочей 
полости литейной формы.

1.3. Кристаллизация сплавов.  
Затвердевание отливок

Общие понятия и определения. При фазовом переходе I рода 
(из жидкого состояния в твердое) образуется кристаллическое 
строение отливки, поэтому в литературе и на практике не различают термины «кристаллизация» и «затвердевание». Между тем 
при затвердевании отливок всегда одновременно протекают тепловые процессы, определяющие кинетику образования твердой 
фазы, и собственно кристаллизационные процессы, определяющие структуру этой фазы.
Ход затвердевания отливки определяется теплоотводом, а 
кристаллизационные процессы вынуждены приспосабливаться 
к нему путем изменения переохлаждения DТ. При этом параметры кристаллизации изменяются так, что кинетика кристаллизационного процесса соответствует кинетике теплового. Поэтому 
при одной и той же скорости теплоотвода затвердевание отливок 
из двух сплавов с одинаковыми теплофизическими свойствами, 
но разными параметрами кристаллизации, будет одинаковым по 
продолжительности, но различным по переохлаждению и структуре. При образовании любой структуры устанавливается такое 
переохлаждение, которое обеспечивает приближение скорости 
кристаллизации в тепловых единицах к скорости теплоотвода.

Итак, разделение понятий «затвердевание» и «кристаллизация» условно; каждое из них характеризует свою сторону единого процесса. Однако оно оправдывается удобством анализа и тем, 
что многие литейные процессы можно изучать, полностью игнорируя особенности роста отдельных кристаллов.
Кристаллизация металлов и сплавов [15]. Дендритными 
ячейками называют участки микроструктуры литых сплавов, 
являющиеся сечениями ветвей и стволов дендритов. Если сплав 
представляет собой твердый раствор, то в микроструктуре все 
поле занято дендритными ячейками. Если сплав является доэвтектическим или эвтектическим, то дендритные ячейки образованы первичными кристаллами и разделены полями эвтектики. 
Дендритные ячейки являются важной характеристикой литого металла. Чем меньше размер дендритной ячейки, тем выше 
показатели механических свойств сплава. Размер дендритной 
ячейки определяется условиями охлаждения при кристаллизации сплава, т.е. условиями отвода теплоты во время затвердевания отливки.
Теоретически связь между скоростью затвердевания отливки 
и размером дендритной ячейки можно объяснить следующим 
образом. Рассмотрим затвердевание отливки из сплава с интервалом кристаллизации. В этом случае в отливке возникает двухфазная область, заключенная между изотермами солидус на 
передней и задней границах. Будем считать, что дендриты представляют собой конусы высотой Н, где Н – ширина двухфазной 
области (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема двухфазной области  
с дендритами конечной формы