Литье по выплавляемым моделям. 

1. Сущность процесса. Основные операции. Область использования.

Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в использовании точной неразъемной разовой модели, по которой из жидких формовочных смесей изготовляется неразъемная керамическая оболочковая форма; перед заливкой расплава модель удаляется из формы вплавлением, выжиганием, растворением или испарением; для удаления остатков модели и упрочнения форма может быть нагрета до высоких температур, что улучшает ее заполняемость расплавом.

Основные операции технологического процесса. Модель или звено моделей 2 изготовляют в разъемной пресс-форме 1, рабочая полость которой имеет конфигурацию отливки с припусками на усадку и обработку резанием (рис. 1.1, а). Модель изготовляют из материалов, имеющих невысокую температуру плавления (воск, стеарин, парафин), способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол). Готовые модели или звенья моделей собирают в блоки 3 (рис. 1.1, б) имеющие модели элементов литниковой системы из того же материала, что и модель. Блок моделей состоит из звеньев, центральная часть которых образует модели питателей и стояка. Модели чаши и нижней части стояка изготовляют отдельно и устанавливают в блок при его сборке. Блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью - суспензией для оболочковых форм, состоящей из пылевидного огнеупорного материала, например кварца пылевидного или электрокорунда, и связующего (рис. 1.1, в). В результате на поверхности модели образуется тонкий (менее 1 мм) слой 4 суспензии. Для упрочнения этого слоя, увеличения его толщины на него наносят слои огнеупорного зернистого материала 5 (мелкий кварцевый песок, электрокорунд, зернистый шамот) (рис. 1.1, г). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщины (3—10 слоев).

Каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака 6, что зависит от связующего (рис. 1.1, д). После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. На рис. 1.1, е показан процесс удаления выплавляемой модели в горячей воде 7

Рис.  1.1   Последовательность   изготовления   многослойной   оболочковой, формы по выплавляемым моделям

(Тводы = 373 К). Так получают многослойную оболочковую форму по выплавляемой модели. Для упрочнения перед заливкой оболочковую форму помещают в металлический контейнер и засыпают огнеупорным материалом 8 (кварцевым песком, мелким боем использованных оболочковых форм) (рис. 1.1, ж). Для удаления остатков моделей из формы и упрочнения связующего контейнера с оболочковой формой помещают в печь 9 для прокаливания (рис. 1.1,з). Форму прокаливают при температуре 1223-1273 К. . Прокаленную форму 10 извлекают из печи и заливают расплавом (рис. 1.1, и). После затвердевания и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники.

Во многих случаях оболочки прокаливают в печи до засыпки огнеупорным материалом, а затем для упрочнения их засыпают предварительно нагретым огнеупорным материалом. Это позволяет сократить продолжительность прокаливания формы перед заливкой.

Малая шероховатость поверхности формы при достаточно высокой огнеупорности и химической инертности материала позволяет получать отливки с поверхностью высокого качества.

После очистки отливок от остатков оболочковой формы шероховатость их поверхности характеризуется величиной Rz=40-10 мкм, а в отдельных случаях достигает Ra=2,5 мкм.

Отсутствие операций разъема моделей и формы, использование для изготовления моделей материалов, позволяющих не разбирать форму при удалении модели, высокая огнеупорность материалов формы, нагрев ее до высоких температур перед заливкой, что улучшает заполняемость, дают возможность получить отливки сложнейшей конфигурации максимально приближающиеся к конфигурации готовой детали практически из любых сплавов. Коэффициент точности отливок по массе (КТМ) может достигать 0,85-0,95, что резко сокращает объемы обработки резанием, отходы металла в стружку. Точность отливок соответствует 8-11-му квалитетам СТ СЭВ 145-75, а припуски на обработку резанием для отливок размером до 50 мм составляют около 1,4 мм, а размером до 500 мм - около 3,5 мм. Поэтому литье по выплавляемым моделям относится к прогрессивным материало- и трудосберегающим технологическим процессам обработки металлов.

Краткие исторические сведения. Прообразом современного процесса литья по выплавляемым моделям является литье по восковым моделям, известное в глубокой древности. Уже в древнем Эламе и Вавилоне около 4 тыс. лет назад использовали восковые модели для изготовления литых украшении, предметов быта. Древние греки и скифы около 2,5 тыс. лет назад отлично владели этим способом.

В эпоху Возрождения великие художники, скульпторы использовали восковые модели для отливки художественных изделий - скульптур, украшении. Элементы восковых моделей использовались и древними русскими мастерами при литье колоколов, пушек, церковной и домашней утвари. Восковые модели широко применялись и в ювелирном производстве.

В дальнейшем развитие этого процесса показало экономическую целесообразность его использования в машиностроении и приборостроении. Таким способом получают точные отливки из различных сплавов толщиной от 0,8 мм и более, с хорошей, чистой поверхностью малой шероховатости, с небольшими припусками на обработку. Процесс получения отливок хорошо механизирован и автоматизирован. На базе этого процесса созданы автоматизированные литейные цех по производству точных отливок. Советские литейщики внесли значительный вклад в развитие этого технологического процесса, создание его научных основ.

Однако литье по выплавляемым моделям - процесс многооперационный.

Манипуляторные операции при изготовлении и сборке моделей, нанесении суспензии на модель и другие достаточно сложны и трудоемки, что осложняет автоматизацию процесса.

Процесс состоит из ряда длительных операций, определяющих производительность: послойное формирование и сушка слоев оболочковой формы на модели, прокаливание формы.

Вследствие большого числа операций, технологических факторов, влияющих на размеры полости формы и соответственно отливки, снижается ее точность.

Качество отливок, получаемых данным способом, существенно зависит от стабильности качества исходных материалов для изготовления моделей, суспензии, формы, а также от стабильности режимов технологического процесса. Это осложняет автоматизацию управления технологическим процессом.

Указанные выше особенности технологического процесса изготовления отливок в керамических оболочковых формах определяют три важнейшие проблемы его развития: сокращение числа операций технологического процесса и их длительности, упрощение манипуляторных операций с целью их автоматизации; реализация резервов повышения точности отливок, которыми обладает данный процесс; создание систем автоматизированного управления технологическим процессом.

Особенности формирования и качество отливок. Особенности формирования отливок в оболочковой форме обусловлены тем, что, как правило, перед заливкой форму нагревают до сравнительно высоких температур. Эти особенности заключаются в следующем.

1. Небольшие теплопроводность, теплоемкость и плотность материалов оболочковой формы и повышенная температура формы снижают скорость отвода теплоты от расплава, что способствует улучшению заполняемости формы. Благодаря этому возможно получение сложных отливок из стали с толщиной стенки 0,8—2 мм, со значительной площадью поверхности. Улучшению заполняемости формы способствует также и малая шероховатость ее стенок.

2. Невысокая интенсивность охлаждения расплава в нагретой оболочковой форме приводит к снижению скорости затвердевания отливок, укрупнению кристаллического строения, возможности появления в центральной части массивных узлов и толстых (6—8 мм) стенок усадочных дефектов — раковин и рыхлот. Тонкие же стенки (1,5—3 мм) затвердевают достаточно быстро, и осевая пористость в них не образуется. Для уменьшения усадочных дефектов необходимо создавать условия для направленного затвердевания и питания отливок. Для улучшения кристаллического   строения   отливок   используют   термическую   обработку.

3. Повышенная температура формы при заливке способствует развитию на поверхности контакта отливка — форма физико-химических процессов, которые могут привести к изменению структуры поверхностного слоя отливки,  появлению дефектов  на  ее поверхности.

Например, на отливках из углеродистых сталей характерным дефектом является окисленный и обезуглероженный поверхностный слой глубиной до 0,5 мм. Причина окисления и обезуглероживания отливок заключается во взаимодействии в основном кислорода воздуха с металлом отливки при ее затвердевании и охлаждении. Эти процессы достаточно подробно рассмотрены в работах  [11, 13].

Основные факторы, влияющие на процесс обезуглероживания,— это состав газовой среды, окружающей отливку, температура отливки и формы, содержание углерода в отливке.

С увеличением содержания в среде, окружающей отливку, газов-окислителей О2, СО2 и паров Н2О, при высоких температурах отливки и формы процессы обезуглероживания интенсифицируются. Поэтому небольшая скорость охлаждения отливки в нагретой оболочковой форме способствует увеличению глубины обезуглероженного слоя отливки. Увеличение содержания углерода в стали повышает интенсивность обезуглероживания поверхностного слоя отливки. Для уменьшения глубины обезуглероженного слоя используют специальные технологические приемы, основанные на предотвращении или уменьшении контакта кислорода воздуха с затвердевающей отливкой; на создании вокруг отливки восстановительной газовой среды и на быстром охлаждении, т. е. сокращении времени реакции.

На отливках из легированных сталей следствием физико-химического взаимодействия материалов формы и отливки при высоких температурах являются точечные дефекты (питтинг) [11], приводящие к снижению коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности отливок и их браку.

Предупреждать появление этого дефекта возможно созданием восстановительной газовой среды в форме, заливкой форм в вакууме, нейтральной или защитной среде; уменьшением или устранением взаимодействия окислов отливки и формы; заменой ее огнеупорного материала, например кремнезема, высокоинертными основными (магнезитовые, хромомагнезитовые).

4. Стремление получить отливки с чистой, гладкой поверхностью вызывает необходимость использования огнеупорных материалов с малыми размерами зерна основной фракции (<005). Это снижает газопроницаемость оболочковой формы до нескольких единиц, создает опасность образования воздушных "мешков" в форме при ее заполнении, приводит к снижению заполняемости формы и образованию дефектов отливки из-за не заполнения формы.    .

Эффективность производства и область применения. На основе производственного опыта можно указать следующие преимущества способа литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям: I)   возможность   изготовления   практически   из  любых   сплавов отливок сложной конфигурации, тонкостенных, с малой шероховатостью поверхности, высоким коэффициентом точности по массе, минимальными припусками на обработку резанием; резким сокращением отходов металла в стружку; 2) возможность создания сложных конструкции, объединяющих несколько деталей в один узел, что упрощает технологию изготовления машин и приборов; 3) возможность экономически выгодного осуществления процесса в единичном (опытном), серийном и массовом производствах, что важно при создании новых машин и приборов; 4) уменьшение расхода формовочных материалов для изготовления 1 т отливок, снижение материалоемкости производства; 5) улучшение условий труда  и  уменьшение вредного воздействия литейного  процесса на окружающую среду.

Наряду с преимуществами способ обладает и следующими недостатками: 1) процесс изготовления формы многооперационный, трудоемкий и длительный; 2) большое число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки, и соответственно сложность управления качеством; 3) большая номенклатура материалов, используемых для получения формы (материалы для моделей, суспензии, обсыпки блоков, опорные    материалы); 4) сложность манипуляторных операций изготовления моделей и форм, автоматизации этих операций; 5) повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий   технологический выход годного (ТВГ).

Указанные преимущества и недостатки определяют эффективную   область   использования   литья   в   оболочковые формы по выплавляемым моделям:

1) изготовление отливок, максимально приближающихся по конфигурации к готовой детали с целью снижения трудоемкости обработки труднообрабатываемых металлов и сплавов резанием, замены трудоемких операции сварки или пайки для повышения жесткости, герметичности, надежности конструкций детали, узла, обработки давлением труднодеформируемых сплавов;

2) изготовление тонкостенных крупногабаритных отливок повышенной точности с целью снижения массы конструкции при повышении ее прочности, герметичности и других эксплуатационных свойств;

3) изготовление отливок повышенной точности из сплавов с особыми свойствами и структурой.

Производство отливок по выплавляемым моделям находит широкое применение в различных отраслях машиностроения и в приборостроении.

Использование литья в оболочковые, формы для получения заготовок деталей машин взамен изготовления их из кованых заготовок или проката позволяет в среднем уменьшить отход металла в стружку на 34-90 %, снизить трудоемкость обработки резанием на 25-85 %, себестоимость изготовления деталей на 20-80%.

Однако, следует учитывать, что экономическая эффективность существенно зависит от выбора номенклатуры отливок, изготовляемых этим способом. Только при правильном выборе номенклатуры деталей можно достичь высокой экономической эффективности производства.

Источник: "Технология литейного производства". Ю.А. Степанов, Г.Ф. Баландин, В.А. Рыбкин. Москва "Машиностроение" 1983 год.