Стремление литейщиков использовать самую простую и доступную технологию, позволяющую с минимальными затратами получать сложное и качественное литье, привело к созданию инновационной технологии ЛГМ – литье по газифицированным моделям.
Метод ЛГМ основан на использовании моделей, изготовленных из пенополистирола. При заполнении формы расплавленным металлом модель газифицируется, то есть испаряется, оставляя в форме полость, которая практически одновременно при этом заполняется металлом. Технология позволяет сократить или исключить многие этапы, характерные для традиционного литья, например применение стержней или уплотнение формовочной смеси. Детали при этом получаются высокой точности при значительной экономии затрат по сравнению, например, с оборудованием для литья по выплавляемым моделям (ЛВМ).
«Ажиотаж» вокруг «уникальной», всем «понятной» и многообещающей технологии, не требующей больших затрат на организацию производства, привел к ее быстрому распространению и внедрению на большинстве литейных предприятий, созданию небольших производственных участков и инженерных организаций, оказывающих услуги по ее внедрению.
На этапе разработки и последующего использования технологии ЛГМ существующие проблемы качества получаемых отливок и ограничения по ее применению принимались как временные проблемки, требующее небольших доработок, ведь так просто засыпать модель песком, подключить вакуум, залить расплавом и получить отливку...
К сожалению, процент брака литья на большинстве литейных предприятий, особенно при производстве стальных отливок (рис.1), использующих технологию ЛГМ, настолько высок, что ставит под сомнение другие ее преимущества, а структура и «плавающий» химический состав материала отливок приводит к резкому сужению направлений ее использования.
Для понимания производственников, использующих эту технологию и столкнувшихся с ее «особенностями», давайте проанализируем процесс ЛГМ (рис. 2).
В литейную форму прямо в пенополистирольный куст моделей с литниковой системой (рис. 3) заливают расплав металла, и что происходит:
• Ориентировочно в объеме пенополистирольной модели пенополистирол составляет всего 5 %.
• При термическом разложении пенополистирола объем выделяющихся газов более чем в 260 раз превышает объем модели, то есть составляет 5 % * 260 = 1300 % – в 13 раз больше объема модели, не считая поступающего расплава (плюс еще 1 объем модели).
• Средняя скорость заполнения полости литейной формы при ЛГМ расплавом стали составляет 10–20 мм/с. Итого ориентировочно за 30 секунд необходимо залить форму высотой около 300–600 мм и вывести из полости формы объем образовавшихся газов в 14 раз превышающий объем полости формы включая литниковую систему.
В связи с отсутствием свободного выхода газов из формы (пустотелых выпоров в модельных кустах на этапе заливки нет), удаление газов происходит за счет создания разряжения в теле формы и отсасывания образовавшихся газов через слой антипригарного покрытия (а. п.) модели (рис. 4).
Влияние различных факторов на газопроницаемость а. п.:
• Отсутствие контроля толщины нанесенного антипригарного слоя краски по всей поверхности модели и невозможности определения его фактической газопроницаемости для каждой из моделей.
• Образования слоя полистирола на а. п. в первоначальный период заливки при тер-мическом расплавлении пенополистирола.
• Наличие разного зернового состава песка и его загрязненности продуктами разло-жения модели.
• Неравномерная степень уплотнения песка вибрацией.
• Нестабильность разряжения в форме в процессе заливки расплавом, зависящей от работы всей вакуумной системы, неполной герметизации наружной поверхности формы пленкой и ее возможного прожига брызгами металла и прочее.
Совокупность всех этих факторов, в той или иной мере влияющих на скорость удаления газов в каждой из литейных форм, приводит к невозможности стабилизации такого процесса.
В полостях формы возникает избыточное давление, иногда приводящее к возникновению встречных потоков газов и расплава металла в литниковых каналах. Может произойти отслоение части а. п. и засасывания жидкого металла в тело формы, разрушение стенок полости формы и т. п. При этом возможно перемешивание и насыщение расплава газами, образование разных внутренних и внешних дефектов в отливках.
Создание оптимальных контролируемых условий заполнения литейных форм расплавом в таких условиях практически невозможно, что не позволяет наладить стабильное производство отливок высокого качества.
«Обязательными» условиями производства отливок из пенополистирольных моделей, особенно при литье стали, являются:
• Обеспечение плавного ламинарного потока расплава; в момент его поступления в форму (стояк), при движении расплава по литниковым каналам и в полости самих моделей.
• Отсутствие контакта жидкого металла с пенополистиролом и продуктами его разложения на любом из этапов заливки формы.
• Образование свободного выхода (удаления) газов из полости формы на всех этапах заливки.
• Обеспечение равномерного плоского фронта (уровня) жидкого металла под пенополистиролом во всей полости формы от стояка до моделей.
Известно, что «оптимальные» условия формирования отливок из пенополистирольных моделей создаются при использовании сифонной литниковой системы, незамкнутой в стояке. В такой системе узким является сечение стояка вверху в месте соединения с литниковой чашей, что обеспечивает последовательное заполнение формы и газификацию модели. Это уменьшает колебание скорости подъема металла и давления летучих продуктов разложения модели в полости формы, предотвращаются выбросы металла в начальный момент заливки.
При этом существующие «оптимальные» условия производства отливок при ЛГМ не пол-ностью исключают контакт расплава с пенополистиролом, не создают условия свободного выхода газов, хотя при этом такая заливка обеспечивает последовательное заполнение формы, но не формирует ламинарный поток при поступлении жидкого металла из воронки в форму и не исключает его разбрызгивание, особенно в первоначальный момент поступления.
Попытки специалистов путем использования пустотелых элементов литниковой системы (рис. 5), установки литейных фильтров (рис. 6), применения более качественных материалов, построения нестандартных пустотелых литниковых ходов (рис. 7) и т. п. чаще всего позволяли устранить одни проблемы, но не решали другие. Необходим комплексный под-ход при решении существующих проблем.
Ни один из известных автору вариантов литниковой системы полностью не исключает контакт расплава с пенополистиролом, не решает вопросы избыточного давления газов в полости формы и не исключает возможность попадания газов в металл, влияя на его химический состав и плотность.
На сегодняшний день описанные выше несовершенства данной технологии не позволяют устранить причины низкого качества (особенно стальных) отливок.
Автором этой статьи выполнена работа по комплексному решению существующих проблем производства отливок с использованием газифицируемых моделей. Разработан способ, позволяющий выполнить необходимые «обязательные» условия такого производства (рис. 8).
Для решения поставленной задачи:
• Применили пустотелые стояки, получающиеся методом удаления пенополистирола из стояка с помощью растворителя, но без заливки его в полость формы и литниковые хода, что обезопасило форму от ее насыщения легковозгораемыми, взрывоопасными жидкостями и газами, при этом как вариант использовали способ получения пустотелых стояков с использованием синтетической пленки и твердых стержней (применяется в технологии вакуумно-пленочной формовки). Использование пустотелых стояков, показанных выше (рис. 5), затруднительно ввиду невозможности присоединения к ним литниковых каналов в разных местах и на разных уровнях.
• Разработали конструкции литниковых воронок (рис. 9), позволяющих создавать ламинарные потоки расплава разного сечения с движением струи жидкого расплава по центру пустотелого стояка без контакта с его стенками. Конструкция данных воронок позволяет выводить все излишки газа из формы наружу противотоком поступающему металлу.
• Нашли решение по устранению возможного разбрызгивания металла при падении струи расплава вниз стояка (особенно в начале заливки) и плавного им заполнения формы.
• Разработали принцип проектирования специальных конструкций литниковых кана-лов, позволяющих создать условия движения жидкого металла под пенополистиролом без прямого контакта с ним как в литниковых каналах, так и в модельной части формы. Использовался сифонный метод подвода металла к модели. Конструкция таких литниковых каналов позволяет производить вывод излишков образовавшихся газов из формы противотоком расплаву без перемешивания с ним, через не заполненную часть стояка и воронку.
Принцип подготовки литейной формы и процесс заполнения ее расплавом
Готовый модельный куст, выполненный с учетом необходимых требований, устанавливают в контейнер, засыпают формовочным песком, уплотняют вибрацией, герметизируют листом пленки и вакуумируют. Производят удаление пенополистирола из стояка. В пустотелый стояк вводят элемент гасителя струи жидкого металла (далее ж. м.), расплавляемый при дальнейшем поступлении ж. м. Устанавливается литниковая воронка и производится заливка.
Ж. м. заливают в литниковую воронку и через преобразователь потока, расположенный по центру стояка, ж. м. вытекает из воронки образуя струю ламинарного потока. Струя ж. м. под действием сил тяжести, не касаясь стенок стояка, падает вниз на гаситель потока (гравитационная заливка металла), предотвращающий разбрызгивание металла. Последующее образование слоя жидкого расплава на дне стояка, находящегося ниже литниковых каналов, создает условия плавного заполнения им полости формы, что в большей степени характерно для металлов имеющих повышенную вязкость. Ж. м. растекается из стояка по наклонным литниковым каналам. Сечение литниковых каналов позволяет спокойно, без сопротивления растекаться расплаву в форме и не заполнено металлом полностью. За счет высокой температуры ж. м. еще до контакта с пенополистирольными частями модели происходит его расплавление и разложение на газовые составляющие. Часть образовавшихся газов удаляется вакуумной системой формы, другая часть противотоком струе металла в литниковых каналах и стояке, через воронку, имеющую отводные каналы, удаляется из формы. Аналогично литниковой системе происходит процесс заполнения всей формы (модельного куста) расплавом, включая сами модели, прибыли и другие его элементы. Главными правилами такой формы являются вертикальная связь литниковых каналов и моделей со стояком, отсутствие закрытых не вентилируемых зон внутри формы и не допустимость поступления расплава сверху на любую часть пенополистирола в модельном кусте.
Существует ошибочное мнение, что газы от газификации металлом пенополистирола при освобождении от модели полости формы как бы надувают песчаную форму (создают внутреннее давление), при этом в песке (теле формы) поддерживается разряжение, и что перепад значений указанных параметров (разряжение и избыточное давление) на поверхности освобождаемой полости формы создает прессующее песок давление, которое удерживает его от обрушения.
По факту при выравнивании давления в полости формы и разряжения в теле формы либо при превышении давления в полости формы относительно разряжения происходит разупрочнение стенок полости формы, что может привести к их местному или полному разрушению. Прочность полости в таком случае, как правило, держится за счет прочности ее антипригарного покрытия, трения частиц песка между собой и связующего между ними в виде застывшей жидкой фазы полистирола на полостном поверхностном слое песка.
Условием надежности любой литейной формы при использовании вакуума является свободное дыхание формы, то есть в процессе заполнения формы ж. м. в ее полости не допускается создание как отрицательного, так и повышенного давления. Прочность полости формы достигается за счет поддержания оптимального разряжения в теле формы (в формовочном песке) во все время заливки ее металлом.
Такой принцип построения литейных форм при ЛГМ:
• исключает смешивание продуктов разложения пенополистирола с ж. м.;
• исключает возможность образования как разряжения, так и избыточного давления в полости формы;
• исключает возможность хаотичного (турбулентного) движения ж. м. внутри формы;
• по мере заполнения полости формы расплавом обеспечивает его постоянное пере-распределение в верхний уровень, создавая условия направленной кристаллизации металла.
В связи с этим формируются благоприятные условия, снижающие риски образования дефектов, характерных литью по газифицированным моделям, особенно для стальных отли-вок.
Список литературы
1. Литье по газифицируемым моделям / Под ред. Ю. А. Степанова. – М.: Машиностроение, 1976. – С. 223.
2. Технологический процесс изготовления отливок по пенополистироловым газифицируемым моделям: руководящие материалы НИИмаш, 1975, с. 51.
3. В. М. Григорьев / Литье по выжигаемым моделям: Издательство ХГТУ, 2002.
4. Л. П. Вишнякова, Н. Намдармогадам / Формирование поверхностного слоя отливок при литье по газифицируемым моделям: Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев / Процессы литья, 2009, № 5.
5. И. В. Чуманов, М. А. Порсев / О повышении качества отливок, полученных литьем по газифицируемым моделям: Специальные способы литья, 2017, №3.
6. В. С. Шуляк, С. А. Рыбаков, К. А. Григорян / Производство отливок по газифицируемым моделям. М.: МГИУ, 2001, с. 324.
7. П. Н. Нестеров / Технологические решения по устранению газовых раковин при ЛГМ корпусов арматуры / Курганский государственный университет. Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов.
8. В. В. Юров, И. А. Цыганов, Н. А. Припадчева / Идентификация дефектов газового характера в деталях из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, изготовленных по технологии литья по газифицируемым моделям / Липецкий государственный технический университет. Литейное производство. Вестник МГТУ им. Г. И. Носова, 2024, т. 22, № 3.
9. О. Й. Шинский, В. С. Дорошенко / Модель для вакуумной формовки. Патент 80656 С2 / ФТИМС АНУ, 10.10.2007.
10. О. Й. Шинский, В. С. Дорошенко / Способ изготовления вакуумированной формы. Па-тент 85515 С2 / ФТИМС АНУ, 26.01.2009. Бюл. № 2, 2009.
11. О. Й. Шинский, В. С. Дорошенко / Способ литья с металла с аддитивно изготовленными моделями, что газифицируются в вакуумных формах с сыпучего песка, с окислением продуктов газификации. Патент на полезную модель, 150121 U / ФТИМС АНУ, 05.01.2022. Бюл. № 1.
