Из глубины веков до наших дней

Категория:
Развитие литейного производства


Из глубины веков до наших дней

Литейное производство — один из самых древних видов обработки металлов. Археологические исследования показывают, что уже за несколько тысяч лет до нашей эры в древнейших центрах человеческой культуры (Греция, Этрурия) литейное ремесло и искусство достигли высокого уровня. Об этом свидетельствуют найденные при раскопках литые античные вазы, памятники и другие изделия. Однако история не сберегла ни имени автора этого гениального изобретения, ни названия страны, которая дала первых металлургов и литейщиков, ни сведений о том, как появилось на свет это огненное мастерство.

Живший в I веке до нашей эры римский поэт Лукреций в поэме «О природе вещей» представлял происхождение литейного производства следующим образом:

…С шумом зловещим леса пожирало горячее пламя

До основанья корней, — только недра земли распалялись, И, в углубленья ее собираясь, по жилам кипящим Золото, медь, серебро потекли раскаленным потоком Вместе с ручьями свинца. А когда на земле появились Слитки застывшие их, отливавшие ярко, то люди Начали их поднимать, плененные глянцем блестящим; замечали потом, что из них соответствует каждый В точности впадине той, которая их заключала. Это внушило ту мысль, что, расплавив металлы, возможно В форму любую отлить и любую придать им фигуру…

Первым литейным материалом явилась бронза, изготовление которой путем сплавления полученных ранее меди и олова было известно в Египте, Ассирии и Вавилонии за 3000 лет до нашей эры.

Многочисленные археологические раскопки курганов в различных районах Советского Союза свидетельствуют о том, что литье в Древней Руси использовалось достаточно широко. В последнее время вокруг Исетского озера, в окрестностях Свердловска, найдено много древних стоянок, копей, «писанцев» на скалах. Оказывается, что уже тогда, в последнюю эпоху каменного века (приблизительно 4000 лет до нашей эры), предки уральцев умели выплавлять металл. Археологи установили, что на высоком берегу озера был металлургический «завод». Здесь отливались топоры, наконечники стрел, украшения и многое другое. Сейчас на этом месте установлен своеобразный памятник древним металлургам. На один из трех сохранившихся здесь огромных валунов ледникового периода поставлена чугунная плита. Считают, что много предметов древности находится и на дне Исетского озера.

Первоначально отливка производилась в каменные формы. Позднее получило распространение литье по выплавляемым моделям. Этим способом в совершенстве владели наши далекие предки — скифы, некогда населявшие среднее Приднепровье, берега Черного и Азовского морей, Алтай и другие местности. Из меди они отливали стрелы, наконечники копий, ажурную утварь домашнего обихода, светские украшения и другие изделия. Их высокое качество свидетельствует о большом мастерстве древних литейщиков.

Наивысшего расцвета литейное производство в Древней Руси достигло в конце XII и начале XIII века. Конфигурация литых изделий усложнялась, в связи с чем появились двусторонние формы из твердых пород камня, снабжаемые разветвленными литниковыми системами, а затем формовка в глине. Плавка металла велась в тиглях, а для контроля приготовляемого расплава применяли пробы на жидкотекучесть. Особое место в XIV—XV веках занимает литье бронзовых колоколов и пушек.

Этот период характеризуется освоением нового литейного материала — чугуна и созданием доменного производства. Чугун получает все большее признание: в 1445 г. появляются чугунные водопроводные трубы,

в 1469 г. — гири для городских весов, а в конце XV века — чугунные литые печи, украшенные барельефами. В XVI веке появляется чугун вторичной плавки. Техника формовки в это время основывается на применении сырого песка и смешанной с шерстью глины. Для сообщения песку пластичности и прочности мастера-литейщики применяли различные добавки, увлажняли песок растворами солей, вином и уксусом. К этому времени относится первое упоминание о формовке в ящиках — опоках. С начала XVII века в Туле, Кашире и особенно на Урале начинает интенсивно развиваться доменное производство. К концу XVIII столетия Россия вышла на первое место в мире по производству чугуна, что способствовало бурному росту литейных цехов, производящих различные фасонные отливки из серого чугуна.

XVIII век характерен резким расширением номенклатуры получаемых отливок. ‘Возникает машиностроение, основанное на использовании металлических деталей. В 1726 г. отливается первый паровой цилиндр; в 1767 г. делается попытка применить литые чугунные рельсы; в 1778 г. строится первый чугунный мост, появляется чугунная посуда. В 1774 г. в России была построена первая печь-вагранка для плавки чугуна в литейном цехе. К концу XVIII столетия складываются приемы ручной опочной формовки, дошедшие до наших дней, а литейные цехи включаются в состав машиностроительных заводов.

Несмотря на отмеченные успехи, степень развития науки и техники литейного производства того времени продолжала оставаться на очень низком уровне. В литейных цехах ведущая роль принадлежала отдельным мастерам-умельцам, за плечами которых лежал многолетний производственный опыт. Основная же масса рабочих была на положении подручных, уделом которых был лишь изнуряющий малопроизводительный ручной труд, длившийся 10—12 час. в сутки. К числу наиболее трудоемких работ того периода развития литейного производства относится формовка в земле. Выкапывание в плащу цеха ям, устройство постели, набивка смеси, извлечение отливок из земляной формы и другие операции этого метода формовки требовали от рабочих большого физического напряжения, постоянной работы на коленях в полусогнутом положении в тяжелых санитарно-гигиенических условиях.

XIX век принес дальнейшее расширение масштабов литейного производства. Осваивались новые литейные материалы — сталь (вторая половина XIX века) и ковкий чугун (конец XIX века). Появились и были освоены специальные методы получения отливок — кокильный, центробежный и литье под давлением. В связи с необходимостью литья крупных отливок массой 10 т более совершенствуется техника заливки форм путем создания ковшей с шестеренчатым приводом (изобрел в 1838 г. англичанин Несмит) и стопорного (изобрел в 1854 г. француз Бернар). Этот ковш в 1876 г. усовершенствовал и придал ему конструктивные формы, сохранившиеся до настоящего времени, великий русский ученый-металлург Д. К. Чернов. 50-е годы XIX столетия следует считать началом механизации литейного производства, так как в этот период были предприняты первые попытки создания формовочных машин и бегунов для приготовления смесей.

XX век характерен бурным развитием литейного производства. Разработка и внедрение в производство алюминиевых, магниевых, титановых и других сплавов, многочисленных специальных способов литья, огромного количества самых разнообразных и совершенных видов литейного оборудования позволили резко повысить выпуск и качество отливок, сделать литейное производство самостоятельной отраслью промышленности.

В научном отношении литейное производство издавна считалось «темным» делом. И это не случайно. Дело в том, что большинство процессов, связанных с получением отливок, лишено непосредственной наглядности и основано на физико-химических законах, зависящих одновременно от ряда переменных факторов. Стремясь открыть эти законы, познать сущность явлений, оказывающих влияние на качество получаемых отливок, ученые с давних пор пытались проникнуть в тайны процессов литья.

Первые робкие попытки в этом направлении были предприняты в 1540 г., когда итальянец Гирингуччио в сочинениях по металлургии изложил очень краткие основы технологии получения отливок. Однако планомерное изучение литейных процессов начинается толь ко в XIX веке.

В технической литературе начала XIX века описание литейной техники входит как раздел в курсы технологии металлов. Только в 1859 г. в Харькове выходит первая русская отдельная книга по литейному производству, написанная горным инженером А. Ф. Мевиусом под названием «Чугунолитейное производство или систематическое изложение всех способов и приемов, употребляемых для получения литейного чугуна, приготовления моделей, производства формовки, отливки и окончательной отделки разных изделий».

В технической литературе того времени сложилась система описания технологических операций изготовления отливок, но научный анализ литейных процессов отсутствовал до второй половины XIX века. Основоположниками теории литейных процессов являются классики русской металлургии: П. П. Аносов, Н. В. Калакуцкий, А. Ф. Мевиус, Д. К. Чернов и А. С. Лавров.

П. П. Аносов (1799—1851) по праву считается родоначальником учения о стали, так как он разработал технологию отливки слитков и получения качественных отливок из тигельной стали.

Н. В. Калакуцкий (1831 —1889) создал теорию внутренних напряжений и ликвации в стали. Совместно с А. С. Лавровым он впервые дает анализ процесса затвердения металла в форме.

Д. К. Чернов (1839—1921) является основоположником научного металловедения и современных методов термической обработки. Он также разработал конкретные предложения по улучшению качества и свойств литого металла. В конце XIX века им создан оригинальный курс сталелитейного дела, в котором много внимания уделено литейным процессам. В 1904 г. вышла книга А. С. Лаврова «Работы и заметки по литейному делу», которую можно считать первой специальной монографией по литейным процессам.

На рубеже XIX и XX веков создается ряд учебников литейного производства для высших технических учебных заведений (курс лекций А. П. Гавриленко в 1897 г. и др.), которые, по сути дела, только обобщали опыт работы литейных цехов.

Большое значение для развития отечественного чугунолитейного производства имели труды русских и советских ученых начала XX века: В. С. Кнаббе, К. Ф. Неймайера, А. П. Гавриленко, М. Г. Евангулова и других. Однако, несмотря на большие успехи, свидетельствующие о ведущей роли русской науки в металлургии, литейное производство в царской России оставалось технически отсталым и полукустарным.

Подлинный расцвет и развитие науки о процессе получения отливок начинается при Советской власти в связи с индустриализацией страны. В 30-х годах организуется ряд кафедр литейного производства: в Московском высшем техническом училище имени Н. Э. Баумана (заведующий кафедрой Н. Н. Рубцов), в Ленинградском политехническом институте (руководители Ю. А. Нехедзи и Н. Г. Гиршович), Московском институте цветных металлов и золота (руководители A. А. Бочвар и А. Г. Спасский), Свердловском политехническом институте (руководители А. А. Горшков и А. А. Рыжиков), Московском вечернем машиностроительном институте (заведующий кафедрой

B.А.Аронович), Московском вечернем металлургическом институте (заведующий кафедрой П. Н. Биду-ля). Эти и многие другие институты подготовили большое число высококвалифицированных специалистов и тем самым заложили основы для совершенствования отечественного литейного производства, развития советской науки о процессах литья.

Первой отечественной научной базой, занявшейся проблемами литейного производства, явилась литейная лаборатория, организованная в 1929 г. в Ленинграде под руководством П. П. Берга. В начале 30-х годов организуются литейные лаборатории ЦНИИТмаша, лаборатория по исследованию процессов кристаллизации стального слитка и литого металла под руководством академика Н. Т. Гудцова и др. Тогда же Л. И. Фанталовым были разработаны научные основы проектирования литейных цехов, В. Е. Грум-Гржимайло создал теорию пламенных печей, определившую дальнейшее развитие печной теплотехники у нас в стране и за границей, а Н. П. и П. Н. Аксеновы сформулировали принципы конструирования литейного оборудования.

В научной литературе последующих лет наиболее значительными трудами представляются: «Технология литейного производства» под редакцией Л. М. Мариен-баха; «Стальное литье» Ю. А. Нехеидзе; «Чугунное литье» Н. Г. Гиршовича; «Основы учения о формовочных материалах» П. П. Берга; «Основы литейного производства» Н. Г. Спасского; «Теоретические основы литейного производства» А. А. Рыжикова; «Специальные виды литья» Н. И. Рубцова; «Тепловые основы теории литья» А. И. Вейника и др.

В предвоенные годы и особенно после Великой Отечественной войны было создано большое число научных литейных центров: секция литейного производства при Институте машиноведения АН СССР, НИИТавтопром, ВНИИлитмаш, НИИтракторсельхоз-маш; ВНИИНмаш, ВПТИтяжмаш, Институт проблем литья АН УССР (Киев), Научно-исследовательский институт специальных способов литья (Одесса) и др. К этому следует добавить большое число отраслевых, специализированных, а также научно-исследовательских лабораторий и конструкторских бюро предприятий, и в первую очередь на УЗТМ, ЗИЛе, МАЗе, ГАЗе, ЧТЗ, ХТЗ, ВТЗ, в которых работает огромная армия высококвалифицированных ученых и специалистов, чья творческая деятельность во многом обеспечила расцвет и бурное развитие литейного производства в нашей стране.

Один лишь перечень научных центров показывает, что для советского литейного производства характерно проведение исследований широким фронтом. Благодаря постоянной поддержке Коммунистической партии и тесному творческому содружеству наши ученые в сравнительно короткий срок добились крупных успехов. К числу наиболее важных открытий следует отнести: создание теории графитизации чугуна; разработку и освоение высокопрочного чугуна с шаровидным графитом; получение ваграночного низкоуглеродистого чугуна, сыгравшего большую роль в отечественном машиностроении; разработку промышленного способа непрерывного литья, литья вакуумным всасыванием и выжиманием; разработку и широкое внедрение в производство самотвердеющих формовочных и стержневых смесей, в корне меняющих условия труда в литейных цехах; создание и внедрение в производство нового способа уплотнения смесей под высоким удельным давлением. Многие из этих изобретений запатентованы, а лицензии на их использование куплены фирмами США, Японии, Франции и других стран.

Возросшие возможности отечественного приборостроения и электроники позволяют ученым-литейщи-кам глубже исследовать процессы литейного производства и, в частности, всесторонне изучать явления теплового взаимодействия между литейной формой, расплавом и формирующейся отливкой. Это помогло установить механизм формирования отливки в литейной форме, сделанной из различных материалов, разработать методы расчета тепловых процессов литья, обеспечивающих получение литых конструкций с заранее заданными свойствами.

Таким образом, имеются все основания полагать, что в настоящее время литейное производство перестало быть «темным» делом. Однако это ни в коей мере не означает, что все проблемы решены. Непрерывное развитие общественного производства и совершенствование народного хозяйства СССР ставят перед литейщиками все новые и более сложные задачи. Вот почему романтика поиска и научных открытий — характерная черта работы современного специалиста-литейщика. В его распоряжении находится арсенал новейших достижений технологии, науки и техники, помогающих обуздать капризный расплавленный металл.

Свято чтя традиции и память об Андрее Чохове. Иване и Михаиле Моториных, В, П. Екимове и других замечательных русских «литцах», творцах Царь-пушки, Царь-колокола, памятников Петру Первому «Медный всадник», Минину и Пожарскому и многих других произведений литейного искусства, используя их опыт и мастерство, советские скульпторы и литейщики открыли новую славную страницу в области художественного литья. Столицу нзшей Родины украшают уникальные по уровню исполнительского мастерства произведения литейного искусства, созданные за время Советской власти и особенно за последние годы. К ним в первую очередь следует отнести памятники основателю Москвы — князю Долгорукову, великим писателям классикам русской литературы М. Горькому и Н. В. Гоголю, замечательному советскому поэту В. В. Маяковскому и многим другим нашим великим соотечественникам. Наглядным примером мастерства советских литейщиков может служить уникальная художественная отливка — стальной букет цветов, полученный методом литья по выплавляемым моделям, в котором толщина лепестков розы достигает 0,3 мм.

Как и в былые времена, поддерживая и развивая славные традиции, плодотворно трудятся мастера-литейщики Касли. За последние годы ими созданы прекрасные бюсты и барельефы К- Маркса, В. И. Ленина, а также ряда политических деятелей — Р. Люксембург, С. М. Кирова и других. В 1936 г. каслинцы отлили бюст французского писателя Анри Барбюса.

Больших успехов в художественном литье добились мастера-литейщики мытищинского завода «Монумент». Высокохудожественную продукцию выпускает цех художественного литья Московского деревообрабатывающего комбината № 3. Здесь творят кудесники. Они «перевоплощают» скульптуры в вечный металл — бронзу. За сравнительно короткое время ими отлиты памятники П. И. Чайковскому, А. С. Грибоедову, М. В. Ломоносову, Ю. А. Гагарину и другим.

В дореволюционной России литейное дело было слугой «двух господ» — искусства и промышленности, так как наряду с колоколами и скульптурами производило заготовки деталей машин. В настоящее время оно выросло в самостоятельную отрасль промышленности. Не монументы и скульптуры, а детали космических ракет и сверхзвуковых самолетов, многотонные лопасти н корпуса турбин крупнейших в мире ГЭС, огромные форштевны кораблей-лайнеров, ажурные корпуса точных приборов, детали металлорежущих станков, автомобилей и других машин являются основной продукцией современного литейного производства.

Больших высот в своем развитии достигли сварка, обработка металлов давлением, холодная обработка металлов и др. Однако, как принято говорить на машиностроительных заводах, «все начинается с литья». Подавляющая часть металла начинает служить людям только предварительно пройдя через изложницы иЛи литейные формы. Конечно, заготовки деталей ма-щин можно производить ковкой, штамповкой, сваркой и другими способами обработки. Однако наиболее простым и дешевым способом их получения считают литье. Почему? Потому, что характерной его особенностью является универсальность, т. е. возможность получения самых разнообразных по конфигурации и техническим свойствам фасонных отливок из серого и ковкого чугуна, углеродистых и легированных сталей, бронз и латуней, алюминиевых, магниевых, титановых и других металлических сплавов. При этом масса отливок колеблется в пределах от 10 г до 300 т, длина — от 1 см до 20 м, а толщина стенок — от 0,3 до 500 мм.

Высокие механические и эксплуатационные свойства, а также экономичность отливок обусловливают их широкое применение в различных отраслях промышленности, и особенно в машиностроении, где литые детали составляют от 25% (в сельскохозяйственных машинах) до 90% (в металлорежущих станках) общей массы машин. С учетом этого литейное производство по праву считают основой машиностроения.

В 1970 г. в нашей стране было произведено около 20 млн. т отливок, что намного превышает их выпуск в любой из капиталистических стран. В 1975 г. выпуск отливок должен возрасти до 25 млн. т.

Развитие литейного производства в нашей стране осуществляется гармонично. Это значит, что одновременно с непрерывным ростом выпуска отливок огромное внимание уделяется их качеству: совершенствованию механических и эксплуатационных свойств, повышению точности и снижению шероховатости поверхности. Все это, вместе взятое, обеспечивает рост долговечности машин и литых конструкций. Благодаря ужесточению требований, предъявляемых к машинам^ в последние годы заметно изменился характер производимых отливок. Вместо простых по конфигурации, тяжелых, с большой толщиной стенок заготовок ныне фоизводятся сложные, тонкостенные и более легкие литые конструкции, повышенная прочность которых обеспечивается коробчатой формой, а также наличием ребер жесткости. Повышение точности и качества поверхности отливок в современных условиях достигается благодаря всемерному развитию специальных методов литья (по выплавляемым и выжигаемым моделям, кокильный, под давлением и др.).

В связи с отмеченными выше особенностями современных отливок, разработкой новых (высокопрочный чугун и др.), а также улучшением свойств давно используемых литейных сплавов, область применения фасонных отливок в машиностроении все более расши ряется за счет сокращения числа заготовок, получаемых ковкой, штамповкой, сваркой и другими способами. Дизельные и автомобильные коленчатые валы, выхлопные клапаны, распределительные валы, шатуны — вот далеко не полный перечень ответственных деталей машин, которые ранее производились из стальных поковок, а в последние годы стали получать литьем.

Какими соображениями руководствуются конструкторы, отказываясь иной раз от ковки в пользу стального литья? Главнейшими из них являются: анизатропность — неодинаковость свойств кованой стали при нагружении детали вдоль и поперек волокон, максимальное приближение формы отливок к окончательной конфигурации изделия, а следовательно, меньшие потери металла на уклоны, напуски и припуски на механическую обработку, а также меньшие затраты при подготовке производства, так как обработка металлов давлением отличается высокой стоимостью штампов и громоздкостью ковочных машин.

Рис. 1. Конструкции цилиндра высокого давления газовой турбины:
а) — цельнолитая; б) — сварнолитая; 1 — верхняя и 4 — нижняя половины улиток; 2 — верхняя и 6 — нижняя средние части бочки цилиндра; 3 — верхняя и 7 — нижняя передние части бочки цилиндра; 5 — малый фланец нижней улитки.

Одним из новых направлений технологии, обеспечивающим получение крупногабаритных и сложных по конструкции стальных деталей машин, является сочетание литья отдельных частей с последующей их сваркой. Новая технология была успешно применена при изготовлении рабочих колес мощных турбин Братской ГЭС массой 100 т, Красноярской ГЭС — массой 270 т и Асуанской ГЭС. Последние выполнялись из высоколегированной кавитационностойкой стали. Колеса имели диаметр 7200 мм, высоту — 3610 мм и массу — 140 т.

Сварнолитые конструкции отличаются большой надежностью, так как в них полностью отсутствуют

внутренние напряжения, трещины и усадочные раковины, свойственные единой отливке сложной конфигурации с наличием разностенности и массивных мест. Кроме того, они более экономичны. Так, применение сварнолитой конструкции крупного (массой обеих половин 8442 кг) стального цилиндра высокого давления газовой турбины (рис. 1) позволило упростить процесс производства заготовки, обеспечило необходимые условия для получения плотного металла, облегчило изготовление стержней и сборку формы, а также доступ к внутренней половине улитки для осмотра и дефектоскопии.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум