Производство слитков из цветных металлов и сплавов : наполнительное литье слитков из цветных металлов и сплавов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

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

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2272 

Кафедра технологии литейных процессов

С.А. Таволжанский 
 
 

Производство слитков 
из цветных металлов и сплавов 

Наполнительное литье слитков  
из цветных металлов и сплавов 

Учебное пособие 

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

Москва  2013 

УДК 621.74.047 
 
Т13 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук С.В. Шокин 

Таволжанский, С.А. 
Т13  
Производство слитков из цветных металлов и сплавов : наполнительное литье слитков из цветных металлов и сплавов : 
учеб. пособие / С.А. Таволжанский. – М. : Изд. Дом МИСиС, 
2013. – 58 с. 
ISBN 978-5-87623-540-4 

Приведены общие сведения по технологии производства слитков из 
цветных металлов и сплавов литьем в изложницы, требования, предъявляемые к слиткам, основные типы изложниц, конструкции и материалы изложниц, рекомендации и зависимости по выбору толщин стенок изложниц и основных параметров литья, основные типы и составы красок и смазок, применяемых при литье, виды дефектов и способы их устранения. Рассмотрены 
основные особенности процесса заполнения изложницы расплавом и затвердевания слитка. 
Содержание учебного пособия соответствует программе курса «Производство слитков из цветных металлов и сплавов». 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Металлургия» (150100). 
УДК 621.74.047 

ISBN 978-5-87623-540-4 
© С.А. Таволжанский, 2013 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Требования, предъявляемые  к слиткам.............................................5 
2. Изложницы для литья слитков цветных металлов и сплавов.........11 
2.1. Разновидности, конструкции и материалы неохлаждаемых 
массивных изложниц ............................................................................ 11 
2.2. Выбор толщины стенки неохлаждаемой массивной  
изложницы.............................................................................................. 17 
2.3. Разрушение неохлаждаемых массивных изложниц................... 20 
2.4. Разновидности, конструкции и материалы  
водоохлаждаемых изложниц................................................................ 21 
2.5. Особенности теплоотвода в водоохлаждаемых изложницах.... 26 
2.6. Требования к качеству воды, охлаждающей изложницу........... 29 
3. Особенности процесса формирования слитка в изложнице...........31 
3.1. Особенности процесса заполнения изложницы расплавом....... 31 
3.2. Особенности процесса затвердевания слитка в изложнице ...... 34 
3.2.1. Естественные причины направленности процесса 
затвердевания слитка в изложнице...............................................34 
3.2.2. Искусственные способы создания направленного  
процесса затвердевания слитка в изложнице...............................35 
3.3. Выбор скоростей наполнительного литья слитков..................... 39 
3.4. Применение смазок и красок при литье слитков  
в изложницы........................................................................................... 40 
4. Специальные методы наполнительного литья слитков ..................47 
4.1. Метод погружения изложницы в воду......................................... 47 
4.2. Метод бесструйного литья ............................................................ 48 
Заключение................................................................................................. 50 
Библиографический список...................................................................... 51 
Приложения ............................................................................................... 52 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Производство слитков литьем в изложницы или наполнительное 
литье является довольно старым технологическим процессом. Из названия метода понятно, что заполнение изложниц происходит сверху, но в ряде случаев (в основном при литье стальных слитков) применяют и сифонную заливку расплава. Несмотря на широкое распространение наиболее современных и производительных методов непрерывного литья, отличающихся к тому же и лучшим качеством 
получаемых заготовок, на сегодняшний день наполнительным литьем получают довольно значительное количество слитков. В первую 
очередь это связано со сравнительной простотой технологии наполнительного литья, не требующей дорогостоящего капиталоемкого 
оборудования и оснастки. 
Литьем в изложницы получают слитки при отработке промышленных технологий как в заводских, так и в лабораторных условиях, 
когда в достаточно короткие сроки необходимо изготовить небольшие партии слитков, отработать технологии плавки, литья и последующей деформации сплавов. Также данная технология литья оказывается конкурентоспособной в случае мелкосерийного и индивидуального характера производства, когда при довольно большой номенклатуре сплавов и типов слитков, потребность в их производстве 
оказывается сравнительно небольшой. В качестве примера здесь 
можно привести производство высокотемпературных припоев и сварочной проволоки из медно-цинковых сплавов, потребность в которых в отечественной промышленности на сегодняшний день не превышает 100 т в год при использовании более чем 20 марок припойных сплавов. 

1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ  
К СЛИТКАМ 

Слитком называется отливка простейшей формы (параллелепипед, призма, цилиндр и полый цилиндр), предназначенная главным 
образом для дальнейшей обработки давлением на деформируемые 
полуфабрикаты – листы, прутки, профили, трубы, проволоку, фольгу, а также поковки и штамповки – прокаткой, прессованием, ковкой. 
В некоторых случаях слитки предназначаются и для других целей. 
Из небольших цилиндрических слитков механической обработкой 
изготавливают втулки, гайки, шайбы, уплотнительные кольца, поршни цилиндров внутреннего сгорания. Иногда небольшие по диаметру 
слитки, преимущественно из алюминиевых сплавов, используются в 
виде прутковых модификаторов и лигатур при производстве отливок 
и более крупных непрерывно-литых заготовок. 
В настоящее время литьем в изложницы получают слитки преимущественно из тяжелых цветных сплавов сравнительно небольших 
габаритов: цилиндрические слитки диаметром не более 200 мм и высотой, не превышающей 1000 мм, а также плоские толщиной 
50…100 мм и длиной, не превышающей 5000 мм. Наиболее востребованные промышленностью деформируемые медные сплавы представлены в прил. 1 (табл. П1.1, П1.2, П1.3) [1, 8, 13]. 
К качеству слитков, определяющих их пригодность для последующей обработки давлением и получения деформированных заготовок с заданным уровнем свойств, предъявляется ряд жестких требований: 
– заданный химический состав; 
– требование по плотности тела слитка; 
– требование к качеству поверхности слитка; 
– отсутствие неметаллических включений в теле слитка; 
– требование к макро- и микроструктуре слитка; 
– требование к однородности химического состава по сечению 
слитка; 
– допустимый уровень напряжений; 
– габаритные размеры. 
Слиток, кроме заданного химического состава, должен иметь высокую плотность. В нем не должно быть газовой или усадочной пористости, усадочной рыхлости и раковин. Если в фасонных отливках 
допускается некоторая пористость, оговоренная специальными эта

лонами, то в слитках этот допустимый максимум в несколько раз 
меньше. По сравнению с углеродистыми сталями данные дефекты 
при деформации в цветных металлах не завариваются. Несплошности подобного рода при обработке давлением раскатываются, вытягиваются и проявляются на деформируемых полуфабрикатах в виде 
пленок, складок, трещин и расслоений, которые пагубно сказываются на механических свойствах и герметичности металла. При обработке давлением эти дефекты поражают полуфабрикаты на большую 
длину и плохо выявляются в силу малой толщины. По этим причинам технологию литья строят так, чтобы обеспечить надежное питание слитка при затвердевании и избежать пористости, усадочной 
рыхлости и раковин. Кроме того, предпринимают меры для снижения растворенных газов, главным образом водорода. 
Поверхность слитка должна быть чистой, без неслитин, засоров, 
раковин и ликвационных наплывов. Чем выше требования к полуфабрикатам, тем чище должна быть поверхность слитков. Часто 
слитки подвергают механической обработке для удаления поверхностного слоя на глубину 5…10 мм и более. В некоторых случаях начинают сначала деформацию, чтобы сгладить неровности, а затем 
удаляют поверхностный слой. 
Шлаковые, флюсовые и оксидные включения могут попасть не 
только на поверхность слитков, но и в их тело. Наличие данных дефектов приводит к резкому колебанию механических свойств в деформируемых полуфабрикатах в поперечном сечении и появлению 
местных расслоений. Оксидные включения вообще тяжело выявить в 
литом слитке и их пагубное влияние проявляется лишь после деформации слитков. Кроме того, инородные включения могут являться 
центрами газовыделения во время промежуточных отжигов и в ходе 
прокатки, что в свою очередь может быть причиной появления газовых пузырей на листах. 
Значительное влияние на процессы последующей обработки давлением оказывает макро- и микроструктура слитков. В слитках наполнительного литья встречаются четыре основных типа макроструктуры (рис. 1.1). 
Транскристаллитная макроструктура (рис. 1.1, а), состоящая из 
двух зон столбчатых кристаллов, выросших от противоположных 
сторон, является наиболее непригодной для деформирования, так как 
после обработки давлением в заготовке наиболее вероятно появление 
центральных трещин по линии стыка. На рис. 1.1, б представлен случай, когда большое число зерен возникло у стенки формы, но лишь 

Рис. 1.1. Основные типы макроструктур слитков  
наполнительного литья 

небольшая часть их выросла по направлению к центру, образовав 
столбчатую структуру слитка. Структуры (рис. 1.1, а и б) приводят к 
анизотропии свойств слитка и являются наиболее неблагоприятными. Из слитков с такими макроструктурами зачастую вообще не удается получить годные полуфабрикаты. Наиболее часто при литье 
слитков в изложницу встречается структура (рис. 1.1, в), когда слиток состоит из наружного слоя мелких равноосных кристаллов, зоны 
столбчатых кристаллов и центральной зоны крупных равноосных 
кристаллов. Наиболее благоприятной для получения качественных 
деформируемых полуфабрикатов является структура (рис. 1.1, г), состоящая из возможно более мелких равноосных макрокристаллов, 
равномерно распределенных по всему объему слитка. Крупнозернистая макроструктура литой заготовки может быть причиной появления трещин при первичном деформировании, причем трещины возникают, несмотря на то, что общие показатели пластичности металла 
вполне удовлетворительные. Разрушение таких заготовок связано с 
анизотропией свойств самих кристаллов. В случае мелкого зерна 
влияние анизотропии незаметно, поскольку различия в упругопластической деформации соседних зерен проявляются в малых объемах 
и не достигают критических значений. В случае же крупнозернистого металла эти различия могут быть очень большими. Из двух расположенных рядом кристаллических зерен одно может быть ориентировано так, что способно выдержать большую пластическую деформацию. Соседнее же зерно в направлении действующих напряжений 
выдерживает лишь малую пластическую деформацию и, поэтому в 
процессе деформирования это зерно, исчерпав свой запас пластично

сти, разрушится, и в заготовке появится трещина. В ходе деформирования происходят также повороты и перемещения кристаллических 
зерен. Эти перемещения легко осуществляются при мелкокристаллическом строении. В случае крупнокристаллического строения перемещения должны быть соответственно большими, так что запаса локальной пластичности в районе неблагоприятно ориентированных 
зерен оказывается недостаточно, и по границам зерен появляются 
трещины. Крупное макрозерно особенно опасно в слитках из металлов и сплавов с объемоцентрированной и гексагональной кристаллическими решетками. Однако даже в тех случаях, когда крупнозернистая заготовка благополучно выдержала деформирование, свойства 
полученных из нее полуфабрикатов при жестких требованиях могут 
оказаться неудовлетворительными. Данные полуфабрикаты имеют 
различную величину рекристаллизованного зерна на разных участках. Возникающая после деформации таких заготовок разнозернистая структура, при жестких требованиях представляет собою очень 
трудно устранимый брак, для борьбы с которым необходимо как изменение технологии литья, так и изменение технологии обработки 
давлением. Поэтому зачастую для создания однородной мелкозернистой структуры расплавы перед заливкой подвергают модифицирующей обработке. 
К микроструктуре слитков также предъявляется ряд требований. 
Наиболее благоприятным в слитках является тонкое микрокристаллическое строение с возможно мелкими размерами всех элементов 
структуры. При дендритной структуре размер дендритной ячейки 
желателен не более 20…30 мкм. Размеры различных фаз, выделяющихся при эвтектических, перетектических и монотектических превращениях также должны иметь размеры менее 5…10 мкм. Желательно, чтобы все неметаллические включения имели размер менее 
3 мкм. Чем мелкодисперсней микроструктура в слитках, тем однороднее она будет у деформируемого полуфабриката. Измельчение 
микроструктуры можно получить повышенными скоростями охлаждения. Именно поэтому стремятся увеличить интенсивность теплоотвода при затвердевании слитков. Другой путь измельчения микроструктуры – модифицирование расплава. 
В слитках недопустима химическая макронеоднородность, которая может возникнуть, как известно, вследствие различных видов 
зональной ликвации: прямой и обратной, внецентровой, гравитационной. Основные пути ее снижения заключаются в организации рационального процесса затвердевания слитка, учитывающего интен

сивность теплоотвода, перемешивание расплава, надлежащее восполнение объемной усадки. 
В слитках, как и в любых отливках, возникают напряжения. Для 
качества слитков наиболее опасны температурные напряжения, которые возникают вследствие разности температур по сечению слитка 
в ходе его затвердевания и охлаждения. В любом слитке всегда имеются остаточные температурные напряжения. Их особенность в том, 
что они достигают наибольших значений после полного охлаждения 
слитка. Схема их всегда такова, что внутренние объемы слитка растянуты, а наружные сжаты. Для уменьшения величины температурных напряжений целесообразно осуществлять интенсивный теплоотвод от слитка с начала процесса затвердевания до момента окончания 
затвердевания внутренних участков. Затем необходимо замедлить 
отвод тепла от слитка так, чтобы перепад температур по сечению 
уменьшился за счет некоторого разогрева наружных объемов теплом 
более горячей сердцевины. Остаточные температурные напряжения, 
даже если они не вызвали разрушения слитка, тоже не желательны. 
Они могут быть причиной коробления литых заготовок и разрушения их вначале пластического деформирования, так как добавляются 
к напряжениям от приложенных внешних сил. Основной путь снижения уровня остаточных температурных напряжений в слитках – 
это проведение отжигов. Отжиг слитков перед обработкой давлением 
повышает их пластические свойства, как за счет гомогенизации, так 
и за счет снятия остаточных температурных напряжений (релаксации). Проведение гомогенизирующего отжига слитков автоматически приводит к исчезновению в них напряжений. 
Размеры слитков, а также их форма и масса должны быть такими, 
чтобы из них можно было получить деформируемые полуфабрикаты 
заданной величины с учетом выхода годного. В большинстве случаев 
выгодно получать слитки максимально возможных габаритов, так 
как они обеспечивают больший выход годного и большую производительность. Масса литой заготовки отправляемой на ковку, прокатку, прессование обычно в несколько раз меньше отливаемого слитка. 
Поэтому слитки, как правило, режут на мерные заготовки, размер и 
масса которых определяются мощностью головного обрабатывающего оборудования: усилием штамповочного или экструзионного пресса, длиной приемных рольгангов у обжимных головных станов [1]. 

Контрольные вопросы 

1. Что такое слитки и для чего они предназначаются? 
2. Чем обусловлены более высокие требования по плотности 
слитков по сравнению с фасонными отливками? 
3. Какую опасность представляют инородные неметаллические 
включения в теле слитков? 
4. Какой тип макроструктуры слитков наиболее неблагоприятный, 
а какой наиболее благоприятный для последующей деформации и 
почему? 
5. Какова причина возникновения температурных напряжений в 
слитках? Какие меры принимаются по их снижению? 
6. Чем определяются габариты отливаемых слитков? 

2. ИЗЛОЖНИЦЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ СЛИТКОВ 
ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 

2.1. Разновидности, конструкции и материалы 
неохлаждаемых массивных изложниц 

Изложницы для литья слитков можно условно классифицировать по 
следующим признакам: по виду охлаждения изложницы делятся на охлаждаемые и неохлаждаемые; по виду извлечения слитков на разъемные (кокильного типа) и неразъемные (вытряхные); по способу расположения в пространстве слитка при заливке на вертикальные и горизонтальные (только плоские слитки); по количеству отливаемых одновременно слитков в одной изложнице на одногнездные и многогнездные. 
Литье в неохлаждаемые изложницы – наиболее старый процесс получения слитков. Изложницы изготавливают либо литьем, либо из поковок и проката путем механической обработки. Выбор способа изготовления изложницы зависит от многих факторов: норм точности, габаритных размеров слитка, материала рабочих стенок и производственных возможностей. Кроме того, на практике подтверждено, что 
изложницы с литыми рабочими гнездами более долговечны. Следы, 
оставляемые режущим инструментом, отрицательно влияют на разрушение рабочей стенки изложницы, называемой «сеткой разгара» [2]. 
Наиболее распространенный материал для неохлаждаемых изложниц – серый чугун, применение которого обусловлено доступностью, 
дешевизной, хорошими литейными свойствами и механической обрабатываемостью, а также низким коэффициентом термического расширения, предопределяющим высокую стойкость к короблению при температурных нагрузках. По данным А.И. Вейника, повышенной стойкостью (число заливок) обладают серые чугуны с пониженным содержанием фосфора, серы и марганца (рис. 2.1) [2]. Более высокой стойкостью обладают высокопрочный чугун и легированные жаростойкие 
стали применяющиеся для изготовления формообразующих элементов 
кокилей (5ХНМ, 30ХГСА, ХН3, 4Х5МФ1С, 3Х2В8Ф и др.), однако в 
качестве материала изложниц их применение оказывается не оправданным из экономических соображений. Кроме более высокой стоимости 
легированных сталей по сравнению с серым чугуном (для некоторых 
марок разница в стоимости может отличаться на порядок), изготовление 
из них изложниц, как литьем, так и механической обработкой связано 
со значительными затратами. В лабораторных условиях при отливке 
небольших слитков используют изложницы из меди, бронзы и графита.