Теоретические основы литейных процессов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 723 

Кафедра технологии литейных процессов 

М.В. Пикунов 
Т.А. Базлова 
С.В. Матвеев 

Теоретические основы 
литейных процессов 

Курс лекций 

Допущено учебно-методическим объединением 
по образованию в области металлургии в качестве 
учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению 150100 – Металлургия 
 
 

Москва   Издательский Дом МИСиС   2009 

УДК 621.74 
 
П32 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. В.С. Золоторевский 

Пикунов М.В., Базлова Т.А., Матвеев С.В. 
П32  
Теоретические основы литейных процессов: Курс лекций. – 
М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. – 99 с. 
ISBN 978-5-87623-285-4 

Описаны физические и физико-химические свойства наиболее используемых металлов, определяющие условия их плавки и приготовления сплавов. Рассмотрены процессы обработки металлических расплавов. Изложены 
основные положения учения о кристаллизации металлов и сплавов, а также 
закономерности процессов затвердевания отливок. Приведены литейные 
свойства сплавов и способы их определения. 
Предназначен для студентов, обучающихся по направлению 150100. 
 
УДК 621.74 

ISBN 978-5-87623-285-4 
© Национальный исследовательский 
технологический университет 
«МИСиС», 2009 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение.................................................................................................. 4 
Краткий исторический обзор развития литейного 
производства ..................................................................................... 5 
1. Основы приготовления металлических сплавов ............................ 8 
1.1. Общие сведения о металлических сплавах.............................. 8 
1.2. Выражение состава сплавов ...................................................... 9 
1.3. Физические свойства металлов и сплавов ............................. 10 
1.4. Взаимодействие металлических расплавов с газами ............ 16 
1.5. Взаимодействие металлических расплавов с огнеупорными 
материалами..................................................................................... 22 
1.6. Основы технологии плавки .................................................... 24 
2. Металлические расплавы как жидкости. Заполнение литейных 
форм расплавом .................................................................................... 29 
3. Кристаллизация металлов и сплавов .............................................. 38 
3.1. Общие закономерности процесса кристаллизации .............. 38 
3.2. Кристаллизация сплавов твердых растворов ........................ 39 
3.3. Образование дендритов. Дендритная ликвация .................... 44 
3.4. Кристаллизация сплавов в системе с эвтектическим 
превращением.................................................................................. 47 
3.5. Кристаллизация сплавов эвтектического состава ................. 51 
4. Затвердевание и охлаждение отливок ............................................ 53 
4.1. Общие сведения о процессе затвердевания ........................... 53 
4.2. Затвердевание отливок из сплавов, не имеющих 
температурного интервала кристаллизации ................................. 54 
4.3 Затвердевание отливок из сплавов c температурным 
интервалом кристаллизации........................................................... 55 
4.4. Количественные закономерности процесса затвердевания 
отливок ............................................................................................. 58 
4.5. Объемная усадка в отливках. Прибыли на отливках ........... 63 
4.6. Структура отливок. Ликвация в отливках. Газы в отливках ....67 
4.7. Линейная усадка сплавов и отливок ...................................... 71 
4.8. Напряжения в отливках. Коробление отливок. 
Трещины в отливках ....................................................................... 73 
5. Литейные свойства сплавов............................................................. 79 
Библиографический список................................................................. 98 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Литейное производство является головной отраслью металлообрабатывающей и машиностроительной промышленности. В общем случае 
литейное производство включает плавку, т.е. получение металлического 
расплава, изготовление или подготовку литейной формы, заливку расплавом формы, в которой происходит его кристаллизация и образуется 
(затвердевает) литая заготовка. Если заготовка представляет собой фасонную отливку, после удаления специальных технологических приливов (литниковой системы, прибылей, выпоров) она поступает в механический цех данного завода или направляется на соответствующее машиностроительное предприятие. Кроме того, литейное производство включает производство слитков из цветных металлов и сплавов – литых заготовок простейшей формы (сплошных и полых цилиндров, параллелепипедов), предназначенных для обработки давлением (ковки, прокатки, 
прессования, волочения) с получением деформированных полуфабрикатов – штамповок, труб, прутков, профилей, проволоки, фольги. Производство стальных слитков для последующей обработки давлением входит в состав металлургического сталеплавильного производства. 
В литейном производстве используют как легкоплавкие металлы 
(олово, свинец, цинк) и сплавы на их основе с температурой плавления 200...400 °С, так и самые тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден и т.п.) и их сплавы, плавящиеся при 2700...3400 °C. 
Масса литых заготовок может достигать нескольких десятков тонн 
(станины и корпуса крупного энергетического и металлургического 
оборудования). Вместе с тем к литейному производству относятся получение мелких частиц металлов и сплавов массой 10...50 мг путем разбрызгивания расплавов, литье металлических лент толщиной до 0,1 мм, 
шириной 100...200 мм и длиной несколько десятков метров. 
Место литейного производства в современной металлообрабатывающей промышленности отражают следующие данные по мировому 
производству металлов и металлической продукции в 2000–2006 гг.: 

Среднегодовое производство всех металлов, млн т.......................≈ 850 
Первичные металлы (из руд), % ....................................................70...85 
Вторичные металлы (из ломов и отходов), %.............................. 30...15 
Виды металлической продукции, %: 
деформированные полуфабрикаты ............................................ ≈ 90 
фасонные отливки ........................................................................ ≈ 10 
Продукция из сплавов на основе железа (из сталей и чугунов), % ......  ≈94 
Продукция из всех прочих металлов и сплавов, % ........................... ≈6 

Мировое производство фасонных отливок в 2004 г. составило 
79 млн т, в том числе в КНР – 22, в США – 12, в России и Японии – 
по 6, в Германии – 5, в Индии – 4, в остальных странах – около 
24 млн т. 
По группам сплавов мировое производство фасонных отливок в 
том же году распределилось следующим образом: отливки из серого, 
высокопрочного и ковкого чугуна – 40, 19 и 1 млн т соответственно, 
из стали – 7 млн т, из сплавов цветных металлов – 12 млн т, в том 
числе из Al-сплавов – 10 млн т. 
Существенными преимуществами литейного производства перед 
другими способами получения металлических заготовок и изделий 
являются меньшие финансовые затраты, больший коэффициент использования металла на единицу продукции, возможность использования собственных отходов в основном производстве. 
Следует отметить, что, несмотря на значительный технический 
прогресс, в литейном производстве до сих пор велика доля физического труда работников в тяжелых условиях из-за высокой температуры воздуха, запыленности и загазованности производственных помещений. С литейным производством связаны существенные экологические проблемы, обусловленные большим выделением теплоты, 
пыли, газов и значительным потреблением воды и воздуха. 

Краткий исторический обзор 
развития литейного производства 

Первыми металлами, которые люди начали использовать для своих нужд, были золото (украшения) и медь (украшения, орудия труда, 
оружие). По археологическим данным, это произошло в 10–8-м тысячелетиях до н. э. на территории нынешних Ирака, Ливана, Ирана, 
Китая. При этом использовались самородки золота и меди, которые 
подвергали холодной, а позднее – горячей ковке. 
В указанных регионах, а также на Балканах в 6–5-м тысячелетиях 
до н. э. была освоена выплавка меди из руд. Фактически выплавлялись бронзы – сплавы на основе меди с мышьяком, оловом, свинцом, 
цинком. Получение жидкого металла дало возможность изготовлять 
литые изделия путем заливки расплава в литейные формы. Таким 
образом появилось литейное производство. Период с 10-го до 2-го 
тысячелетия до н. э. принято называть бронзовым веком. 
Во 2-м тысячелетии до н. э. начался железный век: человек научился получать кричное железо. Крица – это твердая губчатая масса 

(5...10 кг) восстановленного из руды железа с большим количеством 
включений шлака, получавшаяся в горне при 1000...1100 °С. Крицу 
подвергали тщательной ковке при 900...1000 °С для удаления шлаковых включений. Таким способом производили железные (стальные) 
орудия труда и оружие до середины XVIII века. 
Чугун – сплав железа с 2,5...4 % углерода, 2 % кремния, 1...2 % 
марганца, плавящийся при ≈1100 °С, начали получать в Европе в 
конце XIII – начале XIV века. В Китае чугун был известен за несколько веков до н. э. Чугун – чисто литейный сплав; из него изготовляют только фасонные отливки, так как он непластичен и, как 
правило, не выдерживает обработку давлением. 
В XVIII веке медные сплавы, до этого используемые человечеством как основной металлический материал, уступают первенство чугуну. Из него отливают строительные конструкции, части машин и 
механизмов, пушки. Медные сплавы остаются главным материалом 
для литья художественных изделий и колоколов. 
Плавильные печи с древнейших времен работали на дровах, древесном, позже каменном угле, с XVIII века на коксе – твердом продукте 
тепловой обработки каменного угля без доступа воздуха при 1000 °С. 
Слитки и фасонные отливки из стали начали производить со второй половины XIX века после освоения бессемеровского и мартеновского переделов чугуна на жидкую сталь. Мартеновские печи работали на мазуте и газе (доменном и природном). Эти же источники 
тепловой энергии, а также кокс использовали для плавки металлов в 
тигельных печах. 
В XX веке приобретают промышленные масштабы дуговая и индукционная электроплавка на воздухе. Вакуумная электроплавка с 
индукционным и дуговым нагревом, а также электронно-лучевая и 
плазменная плавка освоены во второй половине XX столетия. 
Вместе с развитием плавки металлов совершенствовалось производство литейных форм. Самые древние литейные формы изготовляли из 
камня (известняка) и природного графита, вырезая и выдалбливая рабочую полость требуемых конфигурации и размеров. Позже начали применять обожженные керамические литейные формы из смеси глины и 
песка. Такие формы после затвердевания отливки разрушали, т.е. использовали однократно. До XX столетия фасонные отливки получали в 
литейных формах, изготовленных из смеси кварцевого песка с глиной и 
добавками воды. Эта смесь называлась формовочной землей. Мелкие 
отливки заливали в «сырые» формы, крупные – только в сухие, после 
длительной сушки. Эти формы использовали также однократно. 

В XX веке до настоящего времени наибольшее количество фасонных отливок получают в сырых песчаных формах из смеси кварцевого песка с 4...5 % глины, 3...4 % воды и со специальными технологическими добавками. Такие формы применяют однократно, поэтому 
их называют «разовыми». 
Задолго до н. э. мелкие художественные и ювелирные изделия отливали, используя заранее изготовленные восковые модели будущих 
изделий. Эти модели заливали жидкоподвижной смесью глины и 
песка с водой. После длительной сушки такие формы прокаливали, в 
результате чего воск выплавлялся и выгорал, и в образовавшуюся 
полость заливали жидкий металл. В настоящее время этот процесс, 
называемый литьем по выплавляемым моделям, широко используют для получения как художественных, так и технических отливок; 
при этом взамен воска, кварцевого песка и глины применяют новые 
синтетические вещества и техногенные материалы. 
Примерно до начала XX века литейные формы из песчаноглинистой смеси («формовочной земли») изготовляли вручную. 
В 1910–1920 гг. началось массовое использование для этих целей 
формовочных машин. В настоящее время широко эксплуатируются 
автоматические линии, на которых изготовляются литейные формы, 
заливаемые затем расплавом, и осуществляется выбивка отливок 
(разрушение форм и удаление отливок). 
В 1910–1950 гг. в фасонолитейном производстве развернулось 
массовое применение постоянных металлических литейных форм, 
заполняемых обычной заливкой (кокильное литье), а также заполняемых расплавом под высоким поршневым давлением (литье под 
давлением). 
Слитки из цветных металлов и сплавов под обработку давлением 
с XVIII по XX век отливали в чугунные формы – изложницы. 
В 1910–1930 гг. начали использовать водоохлаждаемые изложницы. 
Во время II Мировой войны (1939–1945 гг.) происходит освоение 
непрерывного литья слитков из алюминия и его сплавов. С 1950-х 
годов осваивается непрерывное литье слитков из меди и ее сплавов и 
из других цветных металлов и сплавов. Непрерывное литье стальных 
слитков (непрерывная разливка стали), являющееся, как отмечалось 
ранее, частью металлургического производства, интенсивно развивается с середины 1950-х гг. Процесс непрерывного литья слитков позволил существенно повысить качество деформированных полуфабрикатов по уровню механических свойств и чистоте металла. 

1. ОСНОВЫ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ 
СПЛАВОВ 

1.1. Общие сведения о металлических сплавах 

Металлические сплавы представляют особый класс веществ. Они состоят из нескольких компонентов-металлов, а также неметаллов ( C, Si, 
B и др.). В сплаве различают основу и легирующие добавки. Основой 
считается компонент, имеющий наибольшее содержание в сплаве. Остальные компоненты являются легирующими добавками. Основа сплава определяет его название. Так, различают алюминиевые, медные, 
цинковые и т.д. сплавы. Сплавы на основе железа с любыми металлами, 
а также с кремнием и углеродом, если содержание углерода не превышает 2 %, называют сталями. Если содержание углерода составляет 
2,5...4 %, сплав называется чугуном. Многие сплавы на основе других 
металлов имеют исторически сложившиеся названия: томпак, бронза, 
латунь, мельхиор, нейзильбер, нимоник, силумин, дюралюмин и др. 
Металлические сплавы в твердом состоянии могут представлять собой: один общий твердый раствор всех компонентов; смесь нескольких 
твердых растворов компонентов с разной кристаллической структурой; 
смесь твердых растворов и промежуточных фаз, образованных компонентами. Эти промежуточные фазы обычно обозначают простыми химическими формулами: Fe3C, CuAl2, Mg2Zn. Однако необходимо иметь 
в виду, что молекул, соответствующих этим формулам, реально не существует. Правомерность использования указанных формул основана 
на том, что в кристаллической решетке промежуточных фаз количественное соотношение числа атомов химических элементов соответствует 
этим формулам. Кроме того, на основе многих промежуточных фаз образуются твердые растворы с большим или меньшим содержанием 
компонентов, чем определяется формулой; в этих фазах могут также 
растворяться другие компоненты сплава. Поэтому действительный состав подобных фаз нередко не соответствует формуле. 
Кроме основы и легирующих компонентов в сплавах всегда присутствуют примеси, которые могут быть в растворенном состоянии 
или находиться в нерастворенном виде, образуя взвесь. 
Жидкие металлические сплавы принято называть расплавами. 
Металлические расплавы представляют собою «мутные» жидкости, 
они содержат очень большое число нерастворимых («взвешенных») 
частиц размером от нескольких долей миллиметра до коллоидных 
(менее 1 мкм). 

Различают черные и цветные сплавы. Сплавы на основе железа 
(стали и чугуны) называют черными, сплавы на основе всех других 
металлов – цветными. Выделяют также драгоценные и ювелирные 
сплавы – сплавы, в которых основой или легирующими компонентами являются золото, серебро, платина, палладий. 
Металлические сплавы, используемые в народном хозяйстве, 
можно подразделить на две группы: деформируемые и литейные. 
Деформируемые сплавы предназначены для получения деформированных полуфабрикатов – поковок, штамповок, различных видов 
проката (профилей, прутков, проволоки, листов, фольги). Из деформируемых сплавов сначала получают слитки, которые затем деформируют различными способами обработки давлением. Из литейных 
сплавов получают фасонные отливки, которые после механической 
обработки используют в качестве деталей машин и элементов конструкций. Имеется ряд марок сталей, латуней, бронз, которые применяют как для получения деформированных полуфабрикатов, так и 
для производства фасонных отливок. Чугуны являются чисто литейными сплавами, из них изготовляют только фасонные отливки. 
Кроме рабочих сплавов, идущих непосредственно на получение фасонных отливок или слитков, в литейном производстве и металлургии 
широко используют лигатуры – сплавы, применяемые только для получения рабочих сплавов. Обычно лигатура состоит из основы рабочего 
сплава с добавками одного или нескольких легирующих компонентов 
рабочего сплава; при этом содержание легирующих компонентов в лигатуре в 10–20 раз больше, чем в рабочем сплаве. Лигатуры на основе 
железа называют ферросплавами. С помощью лигатур удается надежно 
и с меньшими потерями ввести в расплав тугоплавкие, окисляющиеся, 
летучие, дорогостоящие и очень малые добавки. 

1.2. Выражение состава сплавов 

Состав сплавов выражают различными способами. Наиболее часто при этом указывается массовая доля компонентов сплава, выраженная в процентах. 
Пусть необходимо приготовить 150 кг сплава, содержащего 80 % 
железа, 17 % алюминия, 3 % углерода. Для этого без учета потерь 
при плавке следует иметь: (150 / 100) · 80 = 120 кг железа; 
(150 / 100) · 17 = 25,5 кг алюминия; (150 / 100) · 3 = 4,5 кг углерода. 
В некоторых случаях, особенно в научных исследованиях, состав 
сплава приводят в молярных долях компонентов, которые также выражаются в процентах. Поэтому всегда необходимо указывать, какие 
именно единицы измерения используются. 

Выразим состав рассмотренного сплава в молярных долях. Для 
этого необходимо сначала найти число молей каждого компонента в 
любом массовом количестве сплава, затем определить общее число 
молей всех компонентов. Отношение числа молей каждого компонента к общему числу молей будет молярной долей этого компонента, которую, как и массовую долю, можно выразить в процентах. Для 
упрощения расчетов возьмем 100 г прежнего сплава. Очевидно, в 
этом количестве сплава содержится 80 г железа, 17 г алюминия, 3 г 
углерода. Число молей каждого компонента находим делением его 
массы на его же молярную массу. Молярные массы Fe, Al и C равны 
56, 27 и 12 г соответственно. Следовательно, число молей компонентов составляет: nFe = 80 / 56 = 1,43; nAl = 17 / 27 = 0,63; nC = 3 / 12 = 
= 0,25. Общее число молей ∑ n = 1,43 + 0,63 + 0,25 = 2,31. Молярные 
доли компонентов сплава получаются следующими: Fe – 1,43 / 2,31 = 
= 0,62; Al – 0,63 / 2,31 = 0,27; C – 0,25 / 2,31 = 0,11. Состав сплава в 
молярных процентах таков: Fe – 62 %; Al – 27 %; C – 11 %.  
Зная состав сплава в молярных процентах, можно его выразить 
обычной химической формулой. Для рассматриваемого сплава эта 
формула будет иметь вид Fe62Al27C11. Разделив все индексы на наименьший, получим Fe5,6Al2,5C. Такое выражение состава часто используют для сплавов с аморфным строением. 
Очень малое содержание компонентов или примесей выражают в 
миллионных долях – ppm (сокращение английского выражения past 
per million): 1 ppm = 1 / 1 000 000 = 0,0001 % = 1·10–4 %. 
В стандартах и технических условиях содержание легирующих 
компонентов в сплавах всегда приводят в некотором интервале, определяемом верхним и нижним пределами. Содержание основы указывается как «ост.» – остальное, т.е. 100 минус сумма всех легирующих компонентов и примесей. Содержание примесей оговаривается 
верхним допустимым пределом «не более». 

1.3. Физические свойства металлов и сплавов 

Приготовление металлического расплава невозможно без знания 
физических и физико-химических свойств жидких металлов и сплавов, без анализа возможных процессов взаимодействия расплава с 
газами, с огнеупорными материалами и т.д. 
Температура плавления во многом определяет используемые при 
плавке виды энергии и условия плавки металла. В табл. 1.1 приведены температуры плавления наиболее широко применяемых металлов 
и элементов, которые расположены по возрастанию этого параметра. 

Таблица 1.1 

Некоторые физические свойства металлов и элементов 

Температура, °C 
Плотность металла, кг/м3 
Металл, 
элемент 

Молярная 
масса 
(округленно), г/моль 

плавления 
кипения 
твердого 
при 20 °C 
жидкого при 
температуре 
кристаллизации 

Изменение 
плотности 
при кристаллизации, % 

Давление 
пара при 
температуре 
плавления, Па 

Удельная 
теплоемкость в жидком состоянии, 
Дж/(г·К) 

Удельная 
теплота 
плавления, 
Дж/г 

Sn 
119 
232 
2600 
7300 
7000 
2,8 
1·10–23 
0,25 
60 

Pb 
207 
327 
1900 
11400 
10700 
3,5 
1·10–4 
0,15 
24 

Zn 
65 
419 
910 
7150 
6570 
4,0 
13 
0,48 
100 

Mg 
25 
650 
1100 
1740 
1590 
5,0 
500 
1,36 
370 

Al 
27 
660 
2500 
2700 
2380 
7,0 
1·10–6 
1,08 
400 

Cu 
64 
1083 
2500 
8960 
8000 
5,5 
0,13 
0,50 
205 

Mn 
55 
1240 
2060 
7400 
– 
– 
130 
– 
– 

Si 
28 
1410 
3200 
2350 
2530 
–10,0 
0,13 
1,85 
1800 

Ni 
59 
1455 
2900 
8900 
7900 
5,3 
1,3 
0,62 
290 

Fe 
56 
1539 
2900 
7870 
7000 
5,0 
1,3 
0,80 
270 

Ti 
48 
1670 
3100 
4500 
4100 
5,0 
1,3 
0,70 
350 

Cr 
52 
1870 
2500 
7250 
6300 
5,0 
1·103 
– 
– 

Mo 
96 
2620 
4600 
10200 
9300 
5,0 
1,3 
0,50 
340 

C 
12 
≈4000 
≈4000 
2360 
– 
– 
1·105 
0,40 (тв) 
–