CC BY
53
ГРНТИ 55.15.23
Ерсаин Куат Сагындыкович
магистрант, кафедра «Металлургия», Факультет металлургии, машиностроения и транспорта, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: savage.mind.96@gmail.com
Суюндиков Мерхат Мадениевич
к.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Металлургия», Факультет металлургии, машиностроения и транспорта, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: suyundikovm@mail.ru Толымбекова Лязат Байгабыловна
PhD, ассоц. профессор (доцент), кафедра «Металлургия», факультет металлургии, машиностроения и транспорта, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан, e-mail: lyazat-t@mail.ru
ПОДБОР СОСТАВА ФОРМОВОЧНОЙ СМЕСИ И ПРИМЕНЕНИЕ КРИОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
В статье приведены результаты экспериментов по применяемым добавкам в формовочный состав, при литье по выплавляемым моделям, а также использование нового вида моделей на основе льда, с целью использования альтернативной технологии, позволяющей снизить себестоимость отливок. Установлен температурный режим прокаливания формы, а также подобраны составы формовочной смеси для литья по выплавляемым моделям. Разработан технологический режим получения отливок с применением моделей по криотехнологии.
Ключевые слова: литье, модель, заготовка, форма, воск, формовочная смесь, отливка, криотехнология.
ВВЕДЕНИЕ
В литейном производстве для получения отливок сложной конфигурации или важных технологических отливок применяют такие виды литья, которые позволяют получить высокоточные изделия с наименьшей механической обработкой после отливки. Одним из таких видов литья является литье по выплавляемым моделям. Данный способ универсален тем, что возможно изготовить отливки самой сложной конфигурации практически из любых сплавов, а также получить высокую точность и чистоту поверхности отливки. Но данный способ также имеет и недостатки, основными из которых являются высокая стоимость отливок и длительный технологический процесс [1]. В связи с этим данный способ требует дальнейших исследований по поиску альтернативных технологий.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Программа экспериментального исследования состояла из двух самостоятельных частей. В первой части были проведены опыты с использованием различных компонентов формовочной смеси и подбором оптимального температурного режима прокаливания формы. Во второй части исследований проводились опыты по определению возможности применения криотехнологии, а именно использование льда в качестве модели для литья по выплавляемым моделям, с целью снижения себестоимости конечного продукта.
Первым этапом являлось создание заготовки модели из литейного воска (воск+стеарин). Заготовка создавалась путем многократного погружения стальной трубки, диаметром 0 20 мм, в расплавленный воск при 1 = 90 °С.
Технология увеличения диаметра заготовки:
1) Погружение в воск на 2 секунды;
2) Извлечение и кратковременное отстаивание трубки на воздухе в течении 5 секунд для остывания воска, затем повтор процедуры до получения нужного диаметра заготовки (рисунок 1).
Рисунок 1 - Заготовка модели из воска
После первого этапа следует остывание заготовки на воздухе до полного охлаждения воска, для увеличения его прочности, с целью дальнейшего создания необходимой формы и размеров кольца.
Остывшая заготовка извлекалась с трубки путем отрезания прилипших частей воска по вертикали сверху и снизу. Полученная форма использовалась для дальнейшего создания нужной геометрии изделия (рисунок 2).
^ш
Рисунок 2 - Заготовка кольца из воска
Воск практически идеальный материал для создания художественных, ювелирных и других отливок, требующих высокую геометрическую точность. Его можно многократно переплавлять, напаивать и т.д. Температура плавления воска 70-100 °С в зависимости от вида воска [2]. Это позволяет без труда работать с воском при комнатной температуре, не опасаясь потери формы модели (рисунок 3).
После этапа формирования геометрии модели происходит стадия напаивания литниковой системы. Для более сложной отливки можно установить несколько литников, для исключения образования в отливке недоливов, неметаллических включений и компенсации объемной усадки в период затвердевания металла [3].
Далее следует установка модели и литников на основании, изготовленном из пластилина, в форме чаши и герметизация данной основы, для предотвращения протекания формовочной смеси (рисунок 4)
Правильно подобранная смесь - это один из основных критериев получения качественной отливки. Существуют специальные формовочные смеси, которые имеют мелкую фракцию, хорошую прочность при затвердевании формы, высокую термостойкость [4]. Но все это повышает их стоимость, а в дальнейшем это сказывается на стоимости конечного продукта.
Рисунок 3 - Модель из воска
Рисунок 4 - Установка модели
С целью снижения себестоимости отливок, было решено использовать строительный гипс марки Г-6 и мелкодисперсный кварцевый песок d<0,2 мм. Соотношение количества смешиваемых компонентов взято 1:1. Такое соотношение позволяет смеси выдерживать температуру заливки металла около 1200 °С, иметь достаточную прочность при применении способа заливки металла под давлением, в ходе которого стенки формы испытывают напряжение [3]. Количественное соотношение компонентов на 100 г смесиуказано в таблице 1.
Таблица 1 - Соотношение компонентов формовочной смеси
Компонент Содержание, %
Гипс строительный (Г-6) 36
Кварцевый песок 36
Вода 28
Далее после заливки формовочной смеси и её затвердевания образуется форма, из которой необходимо вытопить воск.
Также одной из ключевых стадий данного метода является правильно подобранный температурный режим удаления влаги из гипсовой смеси. Удаление влаги способствует увеличению газопроницаемости гипса [5], т.е. исходящие газы будут лучше выходить через гипс. Первоначально после затвердевания формы ее необходимо поставить в заранее разогретую печь до 150 °С в течении двух часов. Это делается для вытопки воска и просушки гипса от лишней влаги [6].
Следующая стадия прогрев при температуре 300-350 °С в течении двух часов. Резкое поднятие температуры может вызвать растрескивание формы и чрезмерно высокое паровыделение. Третья стадия - прокаливание при 650-700 °С в течении двух часов. На данной стадии полностью испаряется оставшийся воск в форме. Последняя стадия - это выход на температуру заливки, около 450 °С.Температурный режим прокаливания формы представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 - Температурный режим прокаливания формы После заливки металла и остывания формы идет изъятие отливки и ее дальнейшая механическая обработка (рисунок 6). Отливка из латуни представлена на рисунке 7.
Рисунок 6 - Механическая обработка отливки
Рисунок 7 - Отливка из латуни
В результате экспериментов выявлено, что данный состав формовочной смеси из доступных компонентов может быть использован для получения сложных по конфигурации отливок, что позволяет снизить затраты на стоимость изделий.
Наряду с новыми методами литья также одним из перспективных способов получения отливок является криотехнология, т.е. применение моделей изо льда [7-8]. В связи с этим были проведены опыты по отливке изделий данным способом. Модель создавалась путем заливки проточной воды в силиконовую форму (рисунок 8).
Рисунок 8 - Заливка силиконовой формы водой
Ключевым недостатком моделей изо льда является быстрая потеря геометрической формы при комнатной температуре [9]. Вследствие этого был подобран такой формовочный состав смеси, который бы позволял сформировать геометрию модели очень быстро. Для данной задачи оптимальным решением является смесь на основе гипса с добавлением небольшого количества кварцевого песка и бентонитовой глины. Количественное содержание компонентов формовочной смеси представлено в таблице 2.
Таблица 2 - Количественное содержание компонентов формовочной смеси для литья с применением ледяных моделей
Компонент Содержание, %
Гипс строительный (Г-6) 65
Бентонитовая глина 5
Кварцевый песок 10
Вода 20
Добавление кварцевого песка в данный состав обусловлено тем, что он позволяет повысить термостойкость формы, а это дает возможность заливать в форму металлы, имеющие температуру плавления около 1000-1100 °С. Бентонитовая глина имеет способность расширения путем набухания при смачивании водой, что при его введении в песчаную смесь уплотняет и связывает оболочковый слой у поверхности полости формы [4].
Данная смесь позволяет сформировать форму модели в течении 5-7 минут, но для получения качественной отливки этого недостаточно, так как лед теряет свою форму очень быстро. Поэтому была использована заморозка формы сразу после заливки формовочной смеси. После образования формы нет необходимости вытапливать модельный состав, так как лёд при комнатной температуре расплавляется стремительно, и следует только слить воду из формы [9-10] Далее следует сушка при постепенном подъеме температуры до 200 °С в течении 2 часов, затем для полного удаления влаги, которая находится в связанном состоянии с гипсом, прокаливание при 600 °С в течении 1-2 часов. Примеры работ по криотехнологии представлены на рисунках 9-12.
Рисунок 9 - Форма с применением модели изо льда без литниковой системы
Рисунок 10 - Отливка из алюминия
Рисунок 11 - Модель изо льда
Рисунок 12 - Отливка из алюминия
Применение моделей изо льда показало их возможное применение в получении отливок несложной конфигурации при литье по выплавляемым моделям. Это характеризует данный метод, как один из альтернативных методов.
ВЫВОДЫ
В результате проведенных исследований были подобраны формовочные смеси из доступных компонентов, определен оптимальный температурный режим, возможно при помощи компьютерных программ [11], прокаливания формы при литье по выплавляемым моделям с применением моделей из воска и льда.
Применение моделей изо льда позволяет снизить затраты на воскообразные модельные составы, потеря которых может быть от 10 до 30 % от первоначальной массы модели. Также использование моделей на основе воды дает возможность избежать стадии вытопки воска и сокращения процесса прокаливания и обезвоживания гипсовой формы на 35-45 %.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Тертерашвилли, Д. Г. Преимущества процесса литья по выплавляемым моделям / Д. Г. Тертерашвилли, Д. В. Турищев, А. Н. Коноплин - Воронеж : Воронежский государственный аграрный университет им. Императора Петра I, 2019. - 89-92 с.
2 Туйдукова, Л. А. Усовершенствование технологии художественного литья по выплавляемым моделям / Л. А. Туйдукова, Ш. Р. Мухаметзянов, А. Р. Шайхутдинова - Уфа : Омега сайнс, 2019. - С. 286-291.
3 Фролченков, Д. С. Новый способ литья по выплавляемым моделям с герметизацией под давлением / Д. С. Фролченков, И. Н. Кашубский. - Красноярск :
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева, 2018. - С. 469-471.
4 Халтурина, Д. В. Связующие компоненты для литья по выплавляемым моделям / Д. В. Халтурина, Д. Е. Бушуев, А. П. Родзевич. - Томск : Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2018. - С. 139-141.
5 Чумаченко, Г. В. Определение газопроницаемости керамических оболочек для литья по выплавляемым моделям / Г. В. Чумаченко, В. Ю. Пичеев. - Ростов-на-Дону : Донской государственный технический университет, 2018. - С. 80-81.
6 Леушина, Л. И. Повышение энергоэффективности литья по выплавляемым моделям в рамках стратегии импортозамещения. - Казань : Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2018. - С. 78-83.
7 Дорошенко, В. С. Криотехнология литья по ледяным моделям - М. : Литейное производство, 2013. - № 3. - С. 16-20.
8 Дорошенко, В. С. Разработка технологии литья по ледяным моделям с использованием явлений, наблюдаемых в природе. - М.: Российская ассоциация литейщиков, 2017. - С. 17-25.
9 Дорошенко, В. С. Варианты твердения формовочных смесей при литье по выплавляемым моделям. - М. : Литейное производство, 2016. - С. 29-34.
10 Дорошенко, В. С. Многовариантность использования ледяных моделей при литье в песчаные формы - Киев : Металл и литье Украины, 2010. - № 12. - С. 17-20.
11 Тарасенко, А. С., Гурбик, Н. И., Левенец, М. А., Литвиненко, Р. Р., Шамкенова, С. О., Быков, П. О. Компьютерное моделирование литейных процессов в CAE LVMFLOWCV // Наука и техника Казахстана. - 2014. - № 1-2. - С. 92-95.
Материал поступил в редакцию 02.03.20.
Ерсаин Куат Сагындыкович
магистрант, «Металлургия» кафедрасы,
Металлургия, машина жасау жэне келж факультет^
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетл куниверситетi,
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,
e-mail: savage.mind.96@gmail.com
Суюндиков Мерхат Мадениевич
т^.к., профессор, «Металлургия» кафедрасыныц мецгерушiсi,
металлургия, машина жасау жэне келж факультетi,
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университетi,
Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы,
e-mail:suyundikovm@mail.ru
Толымбекова Лязат Байгабыловна
PhD докторы, кауымд. профессор (доцент),
«Металлургия» кафедрасы, Металлургия,
машина жасау жэне келж факультетi,
С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекеттiк университетi, Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы, e-mail: lyazat-t@mail.ru Материал баспаFа 02.03.20 тYстi.
Цалыптау коспасынын к^рамын тацдап алу жене балкытылатын Yлгiлер бойынша к¥ю криотехнологияларды колдану
Мацалада балцытылатын улгшер бойынша цую кезтде цалыптау цурамына цолданылатын цоспалар бойынша, эксперименттер нэтижелерi, сондай-ац цуймалардыц e3iHdiK цунын твмендетуге мумктдж беретш баламалы технологияны цолдану мацсатында муз негiзiндегi модельдердщ жаца турт пайдалану келтiрiлген. Цалыпты цыздырудыц температуралыц режимi аныцталып, сонымен цоса балцытылатын улгшер бойынша цуюга арналган цалыптау цоспасыныц цурамы iрiктелiп алынды. Криотехнология бойынша yлгiлердi цолдана отырып цуймаларды алудыц технологиялыц режимi эзiрлендi.
Кiлттi свздер: цую, yлгi, дайындама, цалып, балауыз, цалыптау цоспасы, цуйма, криотехнология.
Yersain Kuat Sagyndykovich
Master Student,
Faculty of Metallurgy, Mechanical Engineering and Transport,
S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: savage.mind.96@gmail.com
Suyundikov Merhat Madeenievich
Candidate of Technical Sciences, Professor,
Department of «Metallurgy,
Faculty of Metallurgy, Mechanical Engineering and Transport,
S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: suyundikovm@mail.ru
Tolymbekova Lyazat Baygabylovna
PhD, Associate Professor, Department of «Metallurgy,
Faculty of Metallurgy, Mechanical Engineering and Transport,
S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,
e-mail: lyazat-t@mail.ru
Material received on 02.03.20.
Selection of the composition of the molding mixture and the appliance of cryotechnology for casting on smelted models
The article presents the results of experiments on the additives used in the molding composition, when casting on the smelted models, as well as the use of a new type of models based on ice, with aim to make an alternative technology that allows reducing the cost of castings. The temperature mode of calcination of the mold is seated, as well as the compositions of the molding mixture for casting on the smelted models are selected. A technological mode for producing castings using models on cryotechnology has been developed.
Keywords: casting, model, billet, form, wax, molding mixture, cast, cryotechnology.
