CC BY
164
An approximate geometric model of the casting process on the basis of modeling liti-caphobia system, which describes the process offilling the metal forms, the kinetics of cooling, kinetics of crystallization (liquid phase), the formation of shrinkage defects in metals is developed.
Key words: castingpostanovleniye form, gating system, modeling, crystallization.
Walter Alexander Igorevich, doctor of technical sciences, professor, val-ter. alekarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Raev Alexander Wladimirovich, postgraduate, gaambit@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.74.045; 678.746.22
ПРОИЗВОДСТВО ОТЛИВОК ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ
А.И. Вальтер
Рассмотрены особенности применения технологии литья металлических сплавов по газифицируемым моделям. Приведены основные требования, предъявляемые к материалу моделей на основе полистирола.
Ключевые слова: литье по газифицируемым моделям, литниковая система, формовочная смесь, кристаллизация, полистироловый гранулят.
Способ литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) имеет ряд преимуществ, из которых следует отметить возможность применения формовочных песков без крепителей; отсутствие разъемов у форм и стержней; новые возможности конструирования отливок; высокий коэффициент использования жидкого металла; снижение объема зачистных операций; возможность механизации и автоматизации процессов.
Пенополистироловые модели в контейнере
8
Традиционный процесс ЛГМ предусматривает изготовление отдельных элементов моделей из пенопласта; склеивание таких элементов и приклеивание собранных моделей к элементам литниковой системы с получением так называемой модельной елочки; размещение модельной елочки в опоке, заполняемой формовочным песком, в составе которого крепитель отсутствует; уплотнение вибрацией формовочного песка, включая и песок, заполняющий полости в моделях; заливку полученных форм металлическим расплавом, который, нагревая модели, обеспечивает их газификацию и занимает место моделей в форме. Альтернативный вариант предусматривает нанесение на поверхность модельной елочки керамической корки и проведение обжига такой корковой формы с газификацией модели.
Особенности технологии производства отливок по газифицируемым моделям:
при изготовлении моделей необходимо особое внимание обращать на равномерность плотности пенопласта и качество поверхности моделей;
важным моментом при изготовлении составных моделей является выбор состава и технологии нанесения клея;
если после завершения изготовления моделей последние достаточно долго хранятся на складе, то следует принимать во внимание их усадку;
большое влияние на качество получаемых отливок оказывает наносимая на модели или формирующаяся около их поверхности в литейной форме керамическая корка, газопроницаемость которой должна обеспечивать удаление из рабочей полости литейной формы паров и газов, образующихся в результате термического разложения пенопласта;
достаточно важно обеспечивать жесткость модельной елочки на уровне, исключающем ее деформирование при формовке и заливке расплава в форму;
приготовление формовочной смеси должно гарантировать равномерность ее состава и температуры, принимая во внимание, что изменение фракционного состава смеси может отрицательно сказываться на газопроницаемости форм, а следовательно, и на удалении образующихся при разложении модели газов из формы;
засыпку модели формовочной смесью и ее уплотнение следует проводить таким образом, чтобы гарантировать точное воспроизведение модели, исключив вероятность ее разрушения;
качество отливки и наличие в ней литейных дефектов в первую очередь определяются качеством модели и ее поведением в процессе газификации при заполнении формы металлическим расплавом, причем наиболее часто встречающимся и трудно устранимым дефектом является появление на поверхности и в структуре чугунных отливок крупных скоплений блестящего углерода.
В качестве материала для изготовления моделей используют полистирол, содержащий 5...8 %-ный полистироловый гранулят с размером частиц 0,2...0,5 мм и насыпной плотностью 600 г/л. Такой гранулят в закрытых металлических емкостях можно хранить более шести месяцев. За счет вспенивания плотность полистирола снижают до 15...40 г/л, причем, как свидетельствуют многочисленные исследования, с точки зрения прочности моделей и качества их поверхности оптимальной является плотность их материала на уровне 20 г/л. Чтобы обеспечивать равномерную плотность моделей, фракционный состав применяемого полистиролового гра-нулята должен быть по возможности однородным. На долю гранул размером 0,4...0,5 мм должно приходиться до 90 % общего количества гранул [1].
Процесс переработки исходного гранулята предусматривает вспенивание его в специальных установках водяным паром или вакуумирова-нием при нагреве. В процессе вспенивания размер гранул увеличивается, причем после вспенивания гранулы быстро охлаждают, возвращая им исходную твердость. После сушки в кипящем слое в течение 4 - 8 ч гранулы рекомендуется перед использованием выдержать не менее 24 ч при комнатной температуре с тем, чтобы возникающее во вспененных гранулах при охлаждении разряжение нивелировалось за счет диффузии в гранулы воздуха.
Так как газообразный пентан образует с воздухом горючую смесь, в состав которой входит 1,4...7,8 % пентана, помещения для хранения грану-лята и готовых моделей необходимо оснащать мощными системами вытяжной вентиляции.
Для изготовления из вспененных гранул моделей используют очень точные пресс-формы, имеющие уклоны 0,5... 1 град. Наиболее широко применяют алюминиевые модельные пресс-формы с толщиной стенок 8...10 мм. В последние годы для изготовления моделей на ряде предприятий используют пресс-формы, получаемые методами гальванопластики. Эти пресс-формы при достаточно высокой долговечности сравнительно просты в изготовлении, так как равномерность толщины их стенок позволяет ликвидировать дополнительную механическую обработку для выравнивания теплоотвода.
В модельной пресс-форме полистироловые гранулы повторно пластифицируют путем нагрева, обеспечивая условия для их взаимного сваривания. Для нагрева гранул через пресс-форму, заполненную такими гранулами, продувают перегретый пар с температурой 100...120 °С. Сразу после того, как процесс расширения гранул и их сваривания прекратился, модели достаточно быстро охлаждают в форме до 50 °С, обеспечивая возвращение полистиролу необходимой твердости и прочности. Длительность операции изготовления одной модели в пресс-форме обычно составляет около 1 мин. На качество поверхности модели, влажность ее материала и расход энергии оказывают влияние много факторов, включая технологию
заполнения пресс-форм гранулами, режимы продувки через пресс-формы перегретого пара, режимы охлаждения модели в форме и технологию извлечения готовой модели из пресс-формы.
По сравнению с размерами пресс-форм размеры модели сразу после извлечения из пресс-формы меньше на 0,4...0,5 %. В течение первых часов после извлечения из пресс-формы размеры модели возрастают на 0,2...0,4 %, а затем вновь начинают уменьшаться, причем суммарное изменение размеров модели по сравнению с размерами пресс-формы может достигать 0,8 %. По некоторым данным, усадка моделей определяется в первую очередь содержанием в полистироле пентана.
Модели, имеющие внутренние полости, чаще всего изготовляют, склеивая их из отдельных элементов. При этом важными проблемами становятся правильный выбор клея и технологии его нанесения на склеиваемые поверхности. С одной стороны, клей должен исключать раковины в швах на поверхности модели, так как заполнение раковин формовочной смесью способствует появлению соответствующих дефектов в отливках. С другой стороны, клей должен без остатка газифицироваться или испаряться при нагреве, в связи с чем толщина наносимого на склеиваемые поверхности слоя клея не должна превышать 0,1 мм.
Очень важно обеспечивать равномерность толщины клеевой прослойки между склеиваемыми элементами модели, что достигается подбором рабочего интервала температур для термопластичных клеевых композиций и применением специальных устройств для нанесения клея на склеиваемые поверхности. Предпочтительно использовать механизированные или автоматизированные устройства (промышленные роботы), снабженные дозаторами, а также специальными валками и барабанами. Для соединения моделей с элементами литниковой системы, т.е. для изготовления модельной елочки используют методы термической сварки полистирола.
Основными задачами при выполнении на поверхности моделей и всей модельной елочки керамической корки являются создание оптимальных условий газификации моделей при их взаимодействии с металлическим расплавом и получение требуемой чистоты поверхности у отливок. Кроме того, такая корка должна исключать проникновение частиц формовочной смеси в полость, возникающую между фронтом перемещения металлического расплава и ее неразложившимся пенопластом модели, который под действием конвекционного и лучевого нагрева плавится и испаряется. При малой газопроницаемости керамической корки давление в зоне газификации пенопласта возрастает, в связи с чем тормозится процесс термического разложения жидкого полистирола и увеличивается количество жидкой фазы в зоне газификации. Следствием подобного явления может быть прорыв газов через расплав, когда давление в зоне газификации полистирола превысит гидростатическое давление жидкого металла.
При слишком высокой газопроницаемости керамической корки или всей формы давление в зоне газификации полистирола может снизиться до такого уровня, что возникнет опасность осыпания формовочной смеси со стенок формы и появления в связи с этим брака по засорам.
Таким образом, необходимо обеспечивать оптимальное динамическое равновесие между газификацией пенопласта и удалением образующихся при этом газообразных продуктов из зоны реакции. Исследования процессов газификации полистироловых моделей в литейных формах показали, что объем образующихся при этом газов приблизительно в десять раз превышает объем модели. Давление в зоне газификации может превышать атмосферное на 0,025 МПа, т.е. по сравнению с давлением в полости обычной литейной формы из формовочной смеси с бентонитом оно выше примерно в 100 раз. Давление в зоне газификации определяет скорость заполнения формы расплавом, а, следовательно, и линейную скорость разложения полистирола.
Проведенные исследования показали, что на процесс газификации и отвод паро- и газообразных продуктов этого процесса из литейной формы, а следовательно, и на снижение вероятности появления на поверхности чугунных отливок крупных выделений блестящего углерода (брак по набору) положительно влияют: малая исходная плотность пенопласта; наличие в полистироле органических добавок; высокая газопроницаемость керамической корки на границе модели с формой; большое отношение площади поверхности формы, обнажающейся при газификации пенопласта, к площади поверхности модели, воспринимающей тепловой поток; разряжение в форме, которое может составлять, например заполнения формы расплавом под давлением, приблизительно 0,05 МПа.
Интенсивность газификации пенопласта и соответственно размеры зоны газификации в значительной степени определяются температурой металлического расплава. При литье деталей из чугуна такая зона больше, чем при литье деталей из алюминиевого сплава.
Процесс формирования на поверхности модели керамической корки является инструментом управления газификацией моделей. Для изготовления литейных форм при литье по газифицирующимся моделям используют такие же формовочные материалы, как и при изготовлении обычных форм и стержней. Весьма высоки требования в отношении в равномерности состава и толщины керамической корки на поверхности моделей. Температура сушки такой корки не должна превышать 60 °С, гак как при более высокой температуре могут возникнуть деформации модели.
В отношении выбора литниковой системы при литье по газифицирующимся моделям так же, как и при литье в обычные песчаные формы, однозначных рекомендаций не существует. Можно использовать как системы, заполняемые сверху, так и сифонные системы. Общепринятым мож-
12
но считать мнение о том, что питатели в случае литья по газифицирующимся моделям должны быть по сечению больше, чем в обычных песчаных формах.
Особое внимание при выборе литниковой системы следует обращать на то, чтобы обеспечивать по возможности максимально равномерное поступление металлического расплава в полость формы с регламентированной скоростью, гарантирующей необходимую скорость перемещения фронта металлического расплава, которая для жидкого чугуна должна составлять 1...5 см/с. Любое нарушение непрерывности процесса заполнения формы расплавом может вызвать подсос в форму воздуха и нарушение реакции газификации пенопласта. Следует также стремиться к получению ламинарного потока расплава, так как турбулентные перемещения жидкого металла могут вызвать захват расплавом кусочков пенопласта, приводящий к появлению в структуре отливки крупных пластин углерода.
В качестве материала для засыпки корковых форм обычно используют кварцевый песок, который, исходя из требований к его газопроницаемости, должен иметь однородный фракционный состав с малым содержанием мелких частиц. Предпочтительный размер частиц песка 0,25... 0,35 мм. Температура используемого песка 100...50 °С.
При установке модельных елочек в формовочную смесь может быть использован способ заливки жидкоподвижными смесями. Однако применение этого способа весьма ограничено из-за опасности деформирования модели в процессе формовки в связи с различной плотностью смеси и модели, обусловливающей «всплывание» модели. Наиболее распространен способ формовки, предусматривающий подачу формовочной смеси на модель по гибким трубопроводам при одновременном уплотнении смеси вибрацией.
Уплотнение формовочной смеси вибрацией должно гарантировать получение на поверхности модели сплошного слоя постоянной плотности с точным воспроизведением всего контура модели. Чаще всего используют вибростол с несколькими вибраторами, генерирующими колебания относительно различных осей с частотой 50...100 Гц. Как правило, режимы уплотнения смеси вибрацией оптимизируются применительно к конкретным отливкам и смесям конкретного состава экспериментальным путем. Для априорной оптимизации таких режимов можно применять разработанные в Италии методы моделирования, предусматривающие использование результатов специальных предварительных экспериментов с формовочными смесями.
На стояк литейной формы обычно устанавливают литниковую чашу, облегчающую заливку расплава в форму. Учитывая, что часть тепловой энергии расплава расходуется на газификацию модели, температуру заливки при производстве отливок по газифицируемым моделям следует выбирать несколько более высокой, чем при литье в песчаные формы, од-
13
нако при большой толщине стенок отливки завышать температуру заливки также не следует, чтобы не вызвать чрезмерного повышения давления в зоне газификации пенопласта. По поводу целесообразности понижения давления в форме во время ее заполнения металлическим расплавом мнения специалистов весьма разноречивы, однако то обстоятельство, что такое мероприятие снижаем вероятность брака по набору при производстве чугунных отливок, не вызывает сомнения. Учитывая высокую трудоемкость подобного мероприятия, во многих случаях целесообразнее использовать специальные венты в опоках и устанавливать в тело форм специальные трубки для вывода газообразных продуктов разложения полистирола в том случае, когда газифицируется большое количество пенопласта.
Операции выбивки и зачистки отливок, полученных по газифицирующимся моделям, практически не отличаются от аналогичных операций, проводимых при литье в песчаные формы. При изготовлении толстостенных отливок рекомендуется перед выбивкой форм продувать через них в течение 2 - 3 с воздух, обеспечивающий сгорание всех остатков горючих газов в форме, благодаря чему исключается неконтролируемое возгорание таких газов при раскрытии и выбивке форм. Формовочную смесь после выбивки из форм используют многократно, однако периодически следует контролировать ее состав на содержание углерода, количество которого может возрастать.
Из специфических дефектов отливок, получаемых по газифицируемым моделям, следует отметить уже упомянутые крупные скопления углеродных пластин (пироуглерода) на поверхности и даже в структуре чугунных отливок, появление которых обусловлено нарушениями оптимальных условий газификации полистирола и захватом кусочков полистирола потоком металлического расплава. Повышенная пористость алюминиевых отливок связана с повышенной загазованностью расплава, обусловленной более высокой, чем обычно, температурой заливки.
Технология ЛГМ-процесса позволит улучшить экологию за счет исключения из употребления вредных связующих по сравнению с рядом существующих технологий (таблица) [2].
Сравнение отходов производства от традиционного метода _ и ЛГМ-процесса__
Отходы Традиционный метод ЛГМ-процесс
Пыль 50 кг 16
Окись углерода 250 кг -
Окись серы 1,5 . 2 кг 0,2...0,3 кг
Твердые отходы 1200...1500 кг 0,05...0,1
Отработанная вода 0,3...0,5 м3 -
Экологическая безопасность технологического процесса обеспечивается также исключением из него токсичных связующих веществ и большого объема формовочных и стержневых песчаных смесей (обычно от 2 до 4 т отработанной смеси со связующим веществом идет в отвал на 1 т литья), а также их транспортировки и выбивки отливок.
3
Например, масса 1 м пенополистирола 25 кг. Если он замещается 7 т жидкого чугуна, то при этом на 1 т литья расходуется 25/7=3,6 кг полимера. А в формах из смоляных холодно-твердеющих смесей при потреблении 3 % связующего вещества на 3 т смеси, которая требуется для 1 т литья, расход связующего полимера составляет 0,03х3000 = 90 кг, что в 90/3,6 = 25 раз больше.
Низкие затраты на материалы экономят не менее 6000 8000 руб./т литья, а размещение отливок по всему объему контейнера дает выход годного 70...85 %, экономию по шихте металла на 250...300 кг, электроэнергии 100...150 кВт.ч., массы отливок на 10.20 % по сравнению с традиционной опочной формовкой. Особенно существенная экономия при литье сложных отливок из износостойких сталей (шнеки для машин производства кирпича, била, молотки и детали дробилок), т. к. резко снижаются затраты на их механообработку. Также льют без ограничений колеса, звездочки, корпуса, сантехнику, головки и блоки цилиндров бензиновых и дизельных двигателей, художественное литье. Капитальные затраты на организацию производства сокращаются в 2 - 2,5 раза, так же, как и сроки ввода производства в эксплуатацию.
Список литературы
1. Шуляк В.С. Литьё по газифицируемым моделям. СПб.: НПО «Профессионал», 2007. 408 с.
2. Специальные способы литья: учебник / Б.С. Чуркин [и др.]; под ред. Б.С. Чуркина. Екатеринбург: Изд-во Рос. гос. проф.-пед. ун-та, 2010. 731 с.
Вальтер Александр Игоревич, д-р техн. наук, проф., valter.alekaramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
MANUFACTURE OF FOUNDRY ON GASIFIED MODELS
A.I. Walter
The peculiarities of application of technology of casting metal alloys on gasified models are considered. The main requirements to the material models based on polystyrene are given.
Key words: casting on gasified models, gating system, molding sand, solidification, polystyrene granulate.
Walter Alexander Igorevich, doctor of technical sciences, professor, valter. alek a ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University
15
