Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в следующем (рис. 69). На модель или блок из нескольких моделей 1, сделанную из воска или подобного материала, наносят несколько слоев (3—5) огнеупорного материала 2 сметанообразной консистенции с обсыпкой сухим мелким песком для прочности. После сушки формы модель из оболочки S выплавляют, оболочку прокаливают до 800 °С, заформовывают в опоку 4 и горячую форму заливают металлом 5
Таким способом удается получить литые (от нескольких граммов до 2 кг и более), сложной конфигурации тонкостенные (до 0,3 мм) детали с высокой чистотой поверхностей (4—6-й класс чистоты) и с повышенной точностью размеров по 7—9-му классу. Такие детали обычно применяют в конструкциях и механизмах без предварительной механической обработки, за исключением сопрягаемых поверхностей. По выплавляемым моделям получают, например, турбинные лопатки авиационных турбинных двигателей, различные детали автомобилей (массой от 0,3 до 2 кг), сложные детали приборов, крыльчатки различных насосов сложной формы и многое другое. Производство точного литья дает народному хозяйству экономию проката (примерно 1,5—2 т проката на каждой тонне литья) и высвобождает огромное число металлорежущего оборудования (станков).
Особенности этого способа литья — одноразовое использование моделей и керамической формы, отсутствие в форме разъемов, что исключает образование перекосов и заливов, отсутствие процесса расталкивания модели, а также заливка сплава в подогретую форму, что снижает опасность образования внутренних напряжений в отливках и повышает заполняемость. Однако стоимость отливок, полученных этим способом, значительно выше, чем при литье в песчаные формы, и цикл их изготовления более длителен. Чем механизированнее производство, тем отливки дешевле, поэтому в России работают (ГАЗ, ЗИЛ и др.) и строятся новые цехи с высокой степенью механизации и автоматизации процессов, со сравнительно высокой производительностью и годовым выпуском 2500—7000 т отливок.
Для приготовления модельных составов применяют смеси ПС (50 % парафина и 50 % стеарина) и ПВ (70 % парафина и 30 % воска); составы КПЦ (50 % канифоли, 30 % полистирола и 20 % церезина) и РЗ (60 % парафина, 22 % церезина, 12 % буроугольного воска, 6 % кубового остатка) и др. Модельные составы имеют низкие температуры плавления (60—100 °С), небольшие коэффициенты объемного расширения при нагреве (что обеспечивает стабильную точность размеров формы), сравнительно высокую прочность (23/28)*10в5 Па при изгибе (что не позволяет разрушаться деталям при изготовлении и монтаже), хорошую жидкоподвижность при запрессовке их в пресс-формы.
Для составления пастообразной модельной массы используют различные смесители в виде подогреваемых ванн с различными перемешивающими устройствами 6. В действующих цехах модельная масса состоит из свежих материалов (30—50 %) и возврата (70—50%). Модели изготавливают путем запрессовки модельной массы в металлические пресс-формы (рис. 69, б) с помощью ручных шприцев 7 (для мелкосерийного производства) или на автоматических установках.
Пресс-формы делают из стати, легких сплавов, а также из неметаллических материалов — пластмасс, резины и др. Размеры полости пресс-формы рассчитывают так, чтобы обеспечить получение необходимых размеров отливки учитывают усадку легкоплавкой модели в пресс форме (0,9—1,9 %), изменение размеров оболочки при нагреве (0,5—1,0%) и охлаждении, а также величину усадки материала отливки Пресс-формы делают разъемными, чтобы облегчить извлечение модели. В зависимости от конструкции в одной пресс-форме могут быть получены одна или несколько моделей одновременно. На рис. 70 показана пресс-форма с горизонтальным разъемом для получения нескольких моделей 5. Она состоит из подвижной и неподвижной матриц 1 и 2, плит 3, толкателей 4, охлаждающих каналов 6.
В условиях массового производства применяют подобные многогнездные пресс-формы для изготовления нескольких моделей, объединенных в модельные звенья, состоящие из моделей самих деталей литниковых каналов и секций стояка (через которые заливается металл после выплавки моделей из керамической оболочки).
В современных цехах процессы изготовления модельной массы и моделей объединены в общую механизированную и автоматизированную линию. На рис. 71 приведена одна из таких установок. Модельный состав 1 укладывают в обогреваемый горячей водой бак 2, где он плавится и через фильтрующую сетку 3 стекает в ванну 4, откуда насосом 5 перекачивается в бак 6. Мерное количество модельной массы переливается в бак 8 при закрытом клапане 7. В баке 8 готовится масса необходимой температуры и консистенции, которая затем перегоняется в раздаточный бак 9. Из этого бака масса пневмонасосом 10 подается к запрессовочному устройству 11. При совмещении носка запрессовочного устройства с отверстием пресс-формы 12 происходит заполнение ее модельной массой. Пресс-формы установлены на вращающейся карусели 13. После затвердевания массы пресс-форма раскрывается и модель 14 выталкивается в ванну 15 с проточной водой. Там модели охлаждаются, а затем их вынимают для сборки модельных блоков.
Сборка (вручную) заключается в объединении моделей на одном стояке литниковой системы, т. е. готовят блок моделей для групповой отливки нескольких деталей в одной форме, так как отливать каждую небольшую отливку отдельно неэкономично. Блок моделей получают иногда припаиванием отдельных моделей к стояку. В этом случае стояк получают отдельно запрессовкой той же массы в специальную пресс-форму. Чаще же набирают секции моделей 1 (см. рис. 69, I) на металлический каркас стояка 8 (см. рис. 69, II).
Присоединение модели к стояку без припайки позволяет собирать блоки на конвейере. Благодаря этому увеличивается производительность и улучшаются условия труда. Собранный блок обдувается воздухом и передается (подвесным конвейером) на операцию нанесения огнеупорного покрытия и сушки
Параллельно с изготовлением моделей готовят огнеупорное покрытие. Оно состоит из связующего и наполнителя в виде пылевидного или плавленого и размолотого кварца SiO2 или шамота. При получении отливок из тугоплавких сплавов на основе никеля применяют циркон, диоксид титана TiO2, электрокорунд, фарфор и другие материалы, которые имеют повышенную огнеупорность и низкие коэффициенты термического расширения, что меньше нарушает размеры форм. При литье магниевых сплавов в состав керамического покрытия добавляют борную кислоту как защитное средство от окисления металла, а вместо SiO2 применяют Al2O3 либо гипс, так как кремнезем взаимодействует с магнием. При литье титана и его сплавов по выплавляемым моделям в качестве огнеупорных наполнителей используют графит, оксид циркония, нитрат циркония, электрокорунд (плавленая Al2O3). С другими же окислами титан взаимодействует. Первый слой толщиной 0,2 мм обычно делают из смеси порошка графита со связующим на основе фенольнобаритовой или фенольнофурфуроловой смол, разбавленных спиртом.
В качестве связующих применяют гидролизованный раствор этилсиликата и жидкое стекло. Этилсиликат (C1H5O)4Si — это смесь эфиров, содержащая 29 до 43 % SiO2. Чтобы этилсиликат имел связующие свойства, его подвергают гидролизу, который заключается во взаимодействии с водой, подкисленной соляной кислотой (иногда в смеси с серной) и замещении группы (C2H5O) гидроксильными группами ОН. Соляная кислота служит катализатором и способствует образованию геля кремниевой кислоты. Для растворения этилсиликата к воде добавляют спирт, например изопропиловый технический спирт (65%) в смеси с ацетоном (35 %). Количество разбавителя обычно рассчитывают так, чтобы в гидролизованном растворе содержалось 17—20 % SiO2. При таком количестве SiO2 в связующем достигается максимальная прочность керамической пленки при последующем твердении оболочки. Этилсиликат, взаимодействуя с водой по реакции (C2H5O)4Si + 2Н2О → SiO2 + 4C2H5OH, выделяет кремнезем, переходящий затем в аморфный, а после прокалки в кристаллический (твердый).
Огнеупорное покрытие готовят смешением связующего и наполнителя в специальных мешалках. В зависимости от дозировки этих составляющих получают суспензию необходимой консистенции; обычно для первого слоя готовят более густые суспензии (65—70 % пылевидного кварца и 30—35 % гидролизованного раствора этилсиликата), а для последующих — более жидкие (35—45 % раствора связующего). Количество слоев, наносимых на выплавляемые модели, зависит от размера и массы получаемой отливки и может быть от 3 до 15 с общей толщиной оболочки формы 2—15 мм.
Огнеупорное покрытие наносят при окунании блока моделей в бак с суспензией (на 1—2 с), затем обсыпают прокаленным кварцевым песком или зерновым шамотом, чтобы упрочнить слой суспензии на модели и не позволить ей стекать при сушке.
На рис. 72 приводится схема автоматической линии нанесения покрытия на блок. Блок 1, двигаясь на конвейере со скоростью 1,5—2 м/с, по контуру поворачивается и погружается в ванну 2 с суспензией и далее в бак 3 с кипящим слоем присыпочного материала. Кипящий слой песка создастся путем подачи в бак с песком воздуха под давлением 0,4—0,5 МПа, который поднимает и удерживает его во взвешенном состоянии. В зависимости от того, сколько необходимо по технологии нанести слоев, столько предусматривается и этих операций (в среднем наносят 4—7 слоев).
Нанесенное покрытие сушится при прохождении блока на подвеске движущегося конвейера через камеру воздушной или воздушно-аммиачной сушки при 23—25 °C течение 60—90 или 15—20 мин соответственно (добавление 3 % аммиака в воздух ускоряет сушку). После сушки последнего слоя покрытия блоки направляют (с помощью цепного конвейера) для выплавки модельного состава.
Модельные комплекты с металлическими стояками, закрепленными на подвесках непрерывно движущегося конвейера, подают в ванну с горячей водой (85—95 °C) литниковыми воронками вверх. После расплавления модельного состава оболочки через 5—10 мин их подают к другому конвейеру для прокалки. Выплавленный модельный состав всплывает на поверхность ванны и периодически собирается для повторного использования.
Оболочки после выплавления состава подвергают сушке и последующему прокаливанию (или формовке и прокаливанию). При сушке оболочки нагревают до 150—200 °C в течение 1,5—2 ч. Сушку ведут в электрических или газовых сушилках либо в низкотемпературной зоне прокалочных печей непрерывного действия Прокалку ведут непосредственно после сушки. Вначале оболочки заформовывают (снаружи засыпают наполнителем) в специальные металлические коробки — опоки или жакеты для увеличения массы формы, замедления ее нагрева или остывания и возможности заливки в горячую форму, что важно при изготовлении тонкостенных отливок, а также для предупреждения разрушения их во время заливки от давления и массы металла. В качестве наполнителя используют сухой песок, хромистый железняк, металлическую дробь и др., которые в опоку свободно поступают из бункеров, засыпаются вокруг оболочки и уплотняются с помощью легкой вибрации. Для предупреждения деформации оболочки и сохранения постоянными ее размеров перед и во время заливки иногда используют сухую засыпку с добавкой связующих материалов в виде 1—2 % буры или борной кислоты. Бура или борная кислота при нагреве до 600—800 °C оплавляется и скрепляет засыпку в прочную массу. С этой же целью применяют жидкие наполнители (консистенция жидкой сметаны): 10—20% (по массе) песка, 80—40% цемента и воду (25—30 % сверх 100 % массы сухой смеси). Залитая в опоку смесь плотно прилегает к поверхности оболочки, быстро твердеет на воздухе (либо в результате подогрева), а затем формы подаются на прокаливание.
Прокаливание — последняя и ответственная операция изготовления форм. Оболочки (в опоках с наполнителями) прокаливаются в течение 6—8 ч при 850— 950 °С в камерных или проходных печах, нагреваемых газом или электроэнергией. Графитовые оболочки, предназначенные для литья титана, прокаливают при 1000—1100 °С для удаления газотворных составляющих обмазки.
В процессе прокаливания из формы выжигаются остатки модельного состава и газотворные примеси оболочки, увеличивается газопроницаемость формы, заканчивается процесс образования керамической оболочки. Прокалка оболочковых форм, заформованных в опоки с помощью наполнителя, значительно удлиняет подготовку форм под заливку, что особенно неблагоприятно при использовании автоматизированного поточного способа получения отливок по выплавляемым моделям. В России разработан способ прокалки оболочек без засыпки, в результате чего время прокалки сокращается до 0,5—1,0 ч, а засыпка производится после прокалки путем создания вокруг нагретой оболочки наполнителя в виде кипящего слоя, аналогичного показанному на рис. 72. В отдельных случаях при небольшой массе отливок и плотности сплава заливку ведут без применения засыпки.
Керамические формы заливают при определенных температурах металла и формы в зависимости от массы и конфигурации отливок, а также технологических свойств сплавов. Температура алюминиевых сплавов при заливке составляет 650—710 °С, а формы 50—300 °С, температура оловянных бронз 1080—1100 °C и формы 400—500 °С, алюминиевых бронз 1120—1140 °C и формы 650—700 °С, латуни 950—980 °C и формы 200—600 °C, никелевых сплавов 1580—1630 °С и формы 800—850 °С.
Заливка форм металлом производится обычно из ковшей. Если сплавы склонны к пленообразованию, то заливку ведут непосредственно из печи. Для получения более качественных отливок формы иногда ставят и заливают на центробежных машинах с вертикальной осью вращения. При вращении в результате центробежной силы происходит хорошее заполнение полости формы, обеспечивается направленное затвердевание и повышенная плотность отливки. Иногда формы помещают в герметические камеры и заливку ведут в вакууме или в атмосфере инертных газов (аргона, гелия) для предотвращения окисления металла.
Залитые формы охлаждаются на заливочных площадках либо в охладительных ветвях конвейера в течение 1—5 ч. Охлажденные отливки выбивают различными способами в зависимости от материала формы и объема производства.
Формы с сухим наполнителем освобождают от наполнителя на специальных механических опрокидывателях. Формы с наполнителем, имеющим связующее, выбивают с помощью пневмомолота или на вибрационных решетках.
После выбивки из форм на отливках обычно остается часть огнеупорного покрытия, которую удаляют на специальных станках вибрацией. От литников и прибылей отливки отделяют с помощью прессов, абразивных кругов и механических дисковых и ленточных пил, газовой резкой, на токарных и фрезерных станках.
Завершающая операция — очистка отливок от остатков керамического покрытия и окалины кипячением в щелочах KOH или NaOH (20—40 %-ные растворы) при 105—110 °C (выщелачивание) с последующей промывкой в горячей воде (во вращающемся барабане). Качество отливок проверяют по химическому составу и механическим свойствам материала, по состоянию поверхности и точности размеров и массы деталей визуально, просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами, люминесцентным контролем, с помощью калибров и эталонов.
Основные виды брака отливок в цехах точного литья — отклонения от размеров, засоры, ухудшенная поверхность. Этот брак получается в результате разрушения или деформации оболочки и химического взаимодействия формы с металлом. Возможен брак по усадочной пористости и негерметичности, что связано с недостаточным питанием отливок, неправильной конструкцией литниковопитающей системы, а также недоливы, отклонения от химического состава, трещины, вызванные термическими напряжениями и неподатливостью форм.
В производственных условиях различают окончательный брак и исправимый. Дефекты исправляют заваркой, чеканкой, зачисткой, пропиткой и другими способами.
Отливки по выплавляемым моделям по стоимости относятся к сравнительно дорогому литью, поэтому потери от брака стремятся свести к минимуму. В цехах с хорошо отлаженным процессом можно добиться снижения стоимости литья в 1,5—2 раза по сравнению с немеханизированным производством, а уменьшения трудоемкости изготовления тонны литья — в 2—4 раза.