Точное литье по выплавляемым моделям в домашних условиях: технология, преимущества и недостатки. Литье по выплавляемым моделям: технология, преимущества и недостатки Методы отливки моделей

Литьё в песчаные формы.

Литьё в песчаные формы - дешёвый, самый грубый, но самый массовый (до 75-80 % по массе получаемых в мире отливок) вид литья. Вначале изготовляется литейная модель (ранее - деревянная, в настоящее время часто используются пластиковые модели, полученные методами быстрого прототипирования), копирующая будущую деталь. Модель засыпается песком или формовочной смесью (обычно песок и связующее), заполняющей пространство между ею и двумя открытыми ящиками (опоками). Отверстия в детали образуются с помощью размещённых в форме литейных песчаных стержней, копирующих форму будущего отверстия. Насыпанная в опоки смесь уплотняется встряхиванием, прессованием или же затвердевает в термическом шкафу (сушильной печи). Образовавшиеся полости заливаются расплавом металла через специальные отверстия - литники. После остывания форму разбивают и извлекают отливку. После чего отделяют литниковую систему (обычно это обрубка), удаляют облой и проводят термообработку.

Новым направлением технологии литья в песчаные формы является применение вакуумируемых форм из сухого песка без связующего. Для получения отливки данным методом могут применяться различные формовочные материалы, например песчано-глинистая смесь или песок в смеси со смолой и т.д. Для формирования формы используют опоку (металлический короб без дна и крышки). Опока имеет две полуформы, то есть состоит из двух коробов. Плоскость соприкосновения двух полуформ - поверхность разъёма. В полуформу засыпают формовочную смесь и утрамбовывают её. На поверхности разъёма делают отпечаток промодели (промодель соответствует форме отливки). Также выполняют вторую полуформу. Соединяют две полуформы по поверхности разъёма и производят заливку металла.

Литьё в кокиль.

Литьё металлов в кокиль - более качественный способ. Изготавливается кокиль - разборная форма (чаще всего металлическая), в которую производится литьё. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали. В отличие от других способов литья в металлические формы (литьё под давлением, центробежное литьё и др.), при литье в кокиль заполнение формы жидким сплавом и его затвердевание происходят без какого-либо внешнего воздействия на жидкий металл, а лишь под действием силы тяжести.

Основные операции и процессы: очистка кокиля от старой облицовки, прогрев его до 200-300°С, покрытие рабочей полости новым слоем облицовки, простановка стержней, закрывание частей кокиля, заливка металла, охлаждение и удаление полученной отливки. Процесс кристаллизации сплава при литье в кокиль ускоряется, что способствует получению отливок с плотным и мелкозернистым строением, а следовательно, с хорошей герметичностью и высокими физико-механическими свойствами. Однако отливки из чугуна из-за образующихся на поверхности карбидов требуют последующего отжига. При многократном использовании кокиль коробится и размеры отливок в направлениях, перпендикулярных плоскости разъёма, увеличиваются.

В кокилях получают отливки из чугуна, стали, алюминиевых, магниевых и др. сплавов. Особенно эффективно применение кокильного литья при изготовлении отливок из алюминиевых и магниевых сплавов. Эти сплавы имеют относительно невысокую температуру плавления, поэтому один кокиль можно использовать до 10000 раз (с простановкой металлических стержней). До 45 % всех отливок из этих сплавов получают в кокилях. При литье в кокиль расширяется диапазон скоростей охлаждения сплавов и образования различных структур. Сталь имеет относительно высокую температуру плавления, стойкость кокилей при получении стальных отливок резко снижается, большинство поверхностей образуют стержни, поэтому метод кокильного литья для стали находит меньшее применение, чем для цветных сплавов. Данный метод широко применяется при серийном и крупносерийном производстве.

Литьё под давлением.

ЛПД занимает одно из ведущих мест в литейном производстве. Производство отливок из алюминиевых сплавов в различных странах составляет 30-50 % общего выпуска (по массе) продукции ЛПД. Следующую по количеству и разнообразию номенклатуры группу отливок представляют отливки из цинковых сплавов. Магниевые сплавы для литья под давлением применяют реже, что объясняется их склонностью к образованию горячих трещин и более сложными технологическими условиями изготовления отливок. Получение отливок из медных сплавов ограничено низкой стойкостью пресс-форм.

Номенклатура выпускаемых отечественной промышленностью отливок очень разнообразна. Этим способом изготавливают литые заготовки самой различной конфигурации массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов. Выделяются следующие положительные стороны процесса ЛПД:

• Высокая производительность и автоматизация производства, наряду с низкой трудоёмкостью на изготовление одной отливки, делает процесс ЛПД наиболее оптимальным в условиях массового и крупносерийного производств.
• Минимальные припуски на мехобработку или не требующие оной, минимальная шероховатость необрабатываемых поверхностей и точность размеров, позволяющая добиваться допусков до ±0,075 мм на сторону.
• Чёткость получаемого рельефа, позволяющая получать отливки с минимальной толщиной стенки до 0,6 мм, а также литые резьбовые профили.
• Чистота поверхности на необрабатываемых поверхностях, позволяет придать отливке товарный эстетический вид.

Также выделяют следующие негативное влияние особенностей ЛПД, приводящие к потере герметичности отливок и невозможности их дальнейшей термообработки:

• Воздушная пористость, причиной образования которой являются воздух и газы от выгорающей смазки, захваченные потоком металла при заполнении формы. Что вызвано неоптимальными режимами заполнения, а также низкой газопроницаемостью формы.
• Усадочные пороки, проявляющиеся из-за высокой теплопроводности форм наряду с затрудненными условиями питания в процессе затвердевания.
• Неметаллические и газовые включения, появляющиеся из-за нетщательной очистки сплава в раздаточной печи, а также выделяющиеся из твёрдого раствора.

Задавшись целью получения отливки заданной конфигурации, необходимо чётко определить её назначение: будут ли к ней предъявляться высокие требования по прочности, герметичности или же её использование ограничится декоративной областью. От правильного сочетания технологических режимов ЛПД, зависит качество изделий, а также затраты на их производство. Соблюдение условий технологичности литых деталей, подразумевает такое их конструктивное оформление, которое, не снижая основных требований к конструкции, способствует получению заданных физико-механических свойств, размерной точности и шероховатости поверхности при минимальной трудоёмкости изготовления и ограниченном использовании дефицитных материалов. Всегда необходимо учитывать, что качество отливок, получаемых ЛПД, зависит от большого числа переменных технологических факторов, связь между которыми установить чрезвычайно сложно из-за быстроты заполнения формы.

Основные параметры, влияющие на процесс заполнения и формирования отливки, следующие:

• давление на металл во время заполнения и подпрессовки;
• скорость прессования;
• конструкция литниково-вентиляционной системы;
• температура заливаемого сплава и формы;
• режимы смазки и вакуумирования.

Сочетанием и варьированием этих основных параметров, добиваются снижения негативных влияний особенностей процесса ЛПД. Исторически выделяются следующие традиционные конструкторско-технологические решения по снижению брака:

• регулирование температуры заливаемого сплава и формы;
• повышение давление на металл во время заполнения и подпрессовки;
• рафинирование и очистка сплава;
• вакуумирование;
• конструирование литниково-вентиляционной системы;

Также, существует ряд нетрадиционных решений, направленных на устранение негативного влияние особенностей ЛПД:

• заполнение формы и камеры активными газами;
• использование двойного хода запирающего механизма;
• использование двойного поршня особой конструкции;
• установка заменяемой диафрагмы;
• проточка для отвода воздуха в камере прессования;

Литьё по выплавляемым моделям.

Ещё один способ литья металлов - по выплавляемой модели - применяется в случаях изготовления деталей высокой точности (например лопатки турбин и т. п.) Из легкоплавкого материала: парафин, стеарин и др., (в простейшем случае - из воска) изготавливается точная модель изделия и литниковая система. Наиболее широкое применение нашёл модельный состав П50С50 состоящий из 50 % стеарина и 50 % парафина, для крупногабаритных изделий применяются солевые составы менее склонные к короблению. Затем модель окунается в жидкую суспензию на основе связующего и огнеупорного наполнителя. В качестве связующего применяют гидролизованный этилсиликат марок ЭТС 32 и ЭТС 40, гидролиз ведут в растворе кислоты, воды и растворителя (спирт, ацетон). В настоящее время в ЛВМ нашли применения кремнезоли не нуждающиеся в гидролизе в цеховых условиях и являющиеся экологически безопасными. В качестве огнеупорного наполнителя применяют: электрокорунд, дистенсилиманит, кварц и т. д. На модельный блок (модель и ЛПС) наносят суспензию и производят обсыпку, так наносят от 6 до 10 слоёв. С каждым последующим слоем фракция зерна обсыпки меняются для формирования плотной поверхности оболочковой формы. Сушка каждого слоя занимает не менее получаса, для ускорения процесса используют специальные сушильные шкафы, в которые закачивается аммиачный газ. Из сформировавшейся оболочки выплавляют модельный состав: в воде, в модельном составе, выжиганием, паром высокого давления. После сушки и вытопки блок прокаливают при температуре примерно 1000 для удаления из оболочковой формы веществ способных к газообразованию. После чего оболочки поступают на заливку. Перед заливкой блоки нагревают в печах до 1000. Нагретый блок устанавливают в печь и разогретый металл заливают в оболочку. Залитый блок охлаждают в термостате или на воздухе. Когда блок полностью охладится его отправляют на выбивку. Ударами молота по литниковой чаше производится отбивка керамики, далее отрезка ЛПС.Таким образом получаем отливку.

Преимущества этого способа: возможность изготовления деталей из сплавов, не поддающихся механической обработке; получение отливок с точностью размеров до 11 - 13 квалитета и шероховатостью поверхности Ra 2,5-1,25 мкм, что в ряде случаев устраняет обработку резанием; возможность получения узлов машин, которые при обычных способах литья пришлось бы собирать из отдельных деталей. Литье по выплавляемым моделям используют в условиях единичного (опытного), серийного и массового производства.

В силу большого расхода металла и дороговизны процесса ЛВМ применяют только для ответственных деталей.

Процесс литья по выплавляемым моделям базируется на следующем основном принципе:

Копия или модель конечного изделия изготавливаются из легкоплавкого материала.

Эта модель окружается керамической массой, которая затвердевает и образует форму.

При последующем нагревании (прокалке) формы модель отливки расплавляется и удаляется.

Затем в оставшуюся на месте удалённого воска полость заливается металл, который точно воспроизводит исходную модель отливки.

Похожая информация.

Для правильной оценки возможности применения литья по выплавляемым моделям необходимо сопоставить его преимущества и недостатки.

Этот способ литья позволяет максимально приблизить отливку по форме и размерам к готовой детали, а в ряде случаев получить литую деталь в окончательном виде, не требующую какой-либо дополнительной обработки перед сборкой. При этом достигается резкое снижение трудоемкости механической обработки, уменьшается расход металла и металлорежущего инструмента, сокращается потребность в металлорежущих станках. Создается также возможность для совершенствования конструкции деталей и объе-динения отдельных мелких деталей в цельнолитые узлы при уменьшении их габаритных размеров и массы.

Рисунок 4.12 - Заключительные операции изготовления оболочковой формы: а - удаление моделей выплавлением; б – прокаливание

Литье по выплавляемым моделям обладает следующими недостатками:

§ процесс изготовлении формы многооперационный, трудоемкий и длительный;

§ большое число технологических факторов, влияющих на качество формы отливки и соответственно сложность управлении качеством;

§ большая номенклатура технологических материалов;

§ повышенная температура заливки и применение предварительно нагретых форм приводят к снижению механических свойств;

§ повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий технологический выход годного.

Масса отливок при литье по выплавляемым моделям ограничена. Отливки изготавливают массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов, но преимущественно в пределах 50...500 г. Наибольшие размеры отливок достигают 1000 мм.

Данный способ оказывается наиболее рентабельным:

При крупносерийном и массовом производстве мелких, но сложных и ответственных деталей, с высокими требованиями к точности размеров и шероховатости поверхности; особенно эффективно применение литья по выплавляемым моделям, если эти требования могут быть обеспечены влитом состоянии без последующей механической обработки;

Для деталей сложной конфигурации, которые нельзя изготовить как одно целое никакими иными способами;

При изготовлении отливок со сложными внутренними очертаниями, когда достигается снижение себестоимости отливки за счет экономии металла;

Для деталей, изготавливаемых из металлов и сплавов, которые не поддаются обработке давлением, а также сплавов с низкими литейными свойствами.

Способ литья по выплавляемым моделям используют для получения отливок из литейных сплавов на основе железа, никеля, титана, меди и алюминия. Однако чаще всего этот способ литья применяют при производстве отливок из сталей, особенно из специальных, и сплавов, плохо поддающихся механической обработке.

Заливка форм, имеющих высокую температуру, позволяет получать отливки с малой толщиной стенок (0,5... 1,0 мм) при протяженности стенки до 50 мм. Тонкие стенки могут быть выполнены только при площади их поверхности не более 100×100 мм. Отдельные кромки отливок могут иметь толщину 0,7...0,8 мм и протяженность не более 10 мм. Оптимальная толщина стенок отливки составляет 6 мм, так как при большей толщине и недостаточном питании отливки жидким металлом могут появиться усадочные и газовые раковины и пористость.

Минимальная толщина стенок приведена в табл. 4.7.

Таблица 4.7 - Минимальная толщина стенок, мм

Сплавы	Наибольшие габаритные размеры отливок
До 50	50-100	100-200	200-350	350-500
Сталь:
углеродистая	2,5-4	4-5	5-6	6-7	7-10
легированная	3-4,8	4,8-6	6-7,2	7-8	8-12
Алюминиевые	2,5-4	4-5	5-6	6-7	8-9
Магниевые	2,5-4	4-5	4-6	5-7	7-8
Медные	2-3	4-5	4-6	5-7	6-8
Цинковые	1,5-2	3-4	3,5-5	4-6	5-7
Оловянно-свинцовые	1,5-2	2-3	3-4	3,5-5	4-6
Чугун	2-3	3,5-4	4-5	4,5-6	5-8

При конструировании деталей, ориентируемых на изготовление их способом литья по выплавляемым моделям, избегают местных утолщений и резких переходов от толстого сечения к тонкому. Отношение толщин сопряженных стенок не должно превышать 1:4. Для исключения коробления литых деталей с тонкими стенками протяженностью более 150 мм либо со стенками неравномерной толщины предусматривают технологические окна (отверстия) или ребра жесткости. Отверстия в отливках можно получить любой формы - как сквозные, гак и глухие, однако диаметром не менее 3 мм. Отверстия диаметром 3...5 мм рекомендуют выполнять только в отливках из сплавов, не поддающихся механической обработке. Сквозные отверстия рекомендуют выполнять в отливках при отношении их глубины к диаметру не более 2: 1, а глухие - при отношении 1:1; отверстия малого диаметра в стенках большой толщины выполняют при помощи трубок, залитых в отливке.

При необходимости выполнить отверстие в стенках отливок делают специальные выступы и бобышки (рис. 4.13). Высоту выступа устанавливают в зависимости от диаметра отверстия или толщины ступени Н =(4–6)D или Н ≥2,5t (рис. 4.13, а, б). Толщину стенки выступа назначают в зависимости от толщины стенки отливок t 1 =(1–1,5)t . Если отверстия расположены на торцах стенки (рис. 4.13, в, г), то соотношения размеров следующие: Н =2,25D , С =4,5В , А =1,5В .

Рисунок 4.13 - Формы выступов в отливках: а - на плоской стенке; б - в углу стенки; в, г - на торцах стенки

Следует избегать глубоких пазов и узких полостей, для оформления которых могут потребоваться стержни. Ширина паза или расстояние между выступами (рис. 4.14) могут быть выполнены при h <2b, если для сплавов цветных металлов b >1 мм, для стали b ≥2,5 мм.

Рисунок 4.14 - Размеры паза отливки

При данном способе литья наиболее качественными получаются сложные корпусные, компактные детали, поэтому желательно объединять несколько деталей в одну с последующим разделением их тем или иным способом. Крупные плоскостные детали, наоборот, целесообразно расчленять на более мелкие с последующей сборкой отдельных частей.

Экономическую целесообразность изготовления деталей литьем по выплавляемым моделям необходимо рассчитывать в каждом конкретном случае сравнением себестоимости детали, полученной этим способом, с себестоимостью деталей, полученных механической обработкой, штамповкой или литьем иным способом. Использование деталей, полученных литьем по выплавляемым моделям, вместо штампованных позволяет снизить расход металла на 55...75%, трудоемкость механической обработки - на 50...60% и себестоимость деталей - на 20 %.

Себестоимость 1 т литья, получаемого по выплавляемым моделям, при всех условиях значительно выше, чем при литье в песчаные или оболочковые формы. Например, в условиях массового производства на автомобильных заводах себестоимость 1 т отливок по выплавляемым моделям в 6 - 7 раз выше по сравнению с отливками, получаемыми в сырых песчано-глинистых формах, и в 5 -6 раз - по сравнению с отливками, получаемыми в оболочковых формах.

Поэтому способ литья по выплавляемым моделям применяют, прежде всего, в тех случаях, когда необходимо осуществить получение точных по конструкции и размерам отливок из сплавов со специальными свойствами, которые с очень большим трудом обрабатываются режущим инструментом, а также не могут подвергаться обработке давлением (штамповке). К таким отливкам относят лопатки газовых турбин, работающие при высоких температурах газа (900...950 °С), изготавливаемые из специальных жаростой-ких сверхтвердых сплавов. Другим примером может служить турбинное колесо турбокомпрессора, имеющее 18 лопаток сложного профиля, минимальная толщина которых равна (0,8 ±0,2) мм, а отклонение по шагу допускается не более ±0,3 мм. Изготовить подобную деталь методом механической обработки сложно. Похожими на рассмотренную деталь являются насосные крыльчатки или роторы. Для получения подобных деталей способ литья по выплавляемым моделям может оказаться единственно возможным или наиболее оптимальным.

Отливки, выполняемые литьем по выплавляемым моделям, применяют для изготовления разнообразных деталей авиационной и автотракторной промышленности, тяжелого, транспортного и нефтяного машиностроения, приборостроения, а также для деталей подшипников, весов, пресс-форм и штампов, бурового, режущего и измерительного инструмента.

Применение литья по выплавляемым моделям может оказаться рентабельным в условиях мелкосерийного производства, а также для получения опытных образцов деталей, которые при крупносерийном производстве должны изготавливаться другими способами точного литья, требующими дорогостоящей оснастки (литье под давлением, литье в оболочковые формы). В таких случаях рекомендуют снижать затраты на специальную оснастку путем применения гипсовых пресс-форм и разовых полистироловых моделей.

Контрольные вопросы

1. Металлическая форма является одноразовой или многоразовой?

2. В чем заключается основной недостаток металлических форм?

3. Из каких материалов изготавливают стержни для литья в металлические формы?

4. В каких случаях целесообразно применение металлических форм без разъема?

5. Почему при литье в металлические формы толщина стенок отливок должна быть больше, чем при литье в песчано-глинистые формы?

6. При каком типе производства экономически целесообразно применять литье в металлические формы?

7. Из какого материала изготавливают литейные формы для литья под давлением?

8. Каким образом при литье под давлением извлекают из формы готовую отливку?

9. Приведите примеры решения конструкторских задач применением литья под давлением.

10. Заготовки какой массы целесообразно получать литьем под давлением?

11. За счет чего происходит заполнение жидким сплавом литейной формы при центробежном литье?

12. Как распределяется прочность отливки, полученной центробежным литьем, по направлению от центра заготовки к периферии?

13. В каких местах отливок, полученных центробежным литьем, будет повышенная точность, а в каких - пониженная?

14. Какие заготовки, полученные центробежным литьем, не могут быть получены никаким иным способом литья?

15. Какую толщину имеет оболочка при литье в оболочковые формы?

16. Из какого материала изготавливают модели при литье в оболочковые формы?

17. Какова максимальная масса отливки, получаемой литьем в оболочковые формы?

18. Какие факторы определяют эффективность способа литья в оболочковые формы?

19. При каком типе производства экономически целесообразно применение литья в оболочковые формы?

20. За счет чего отливки при литье по выплавляемым моделям имеют высокую точность?

21. Из каких материалов изготавливают выплавляемые модели?

22. Применяют ли стержни для получения отверстий в отливках, полу­чаемых литьем по выплавляемым моделям?

23. За счет чего обеспечивается прочность оболочки формы для литья по выплавляемым моделям?

24. Для каких изделий экономически целесообразно применять литье по выплавляемым моделям

Сущность метода и область применения. Сущность состоит в том, что по неразъемной легкоплавкой модели изготавливают не­разъемную разовую форму. Модели из этой формы выплавляют, а образовавшуюся полость заливают жидким металлом. При этом способе получаемые отливки настолько точны, что объем механиче­ской обработки уменьшается на 80... 100% и в 1,5...2 раза сокращается расход жидкого металла. Высокая точность и чистота поверхности отливки обеспечиваются: применением неразъемных моделей (мо­дели выплавляют, и не требуется их расталкивать); отсутствием формовочных уклонов; изготовлением стержней в процессе фор­мовки, а не отдельно в стержневых разъемных ящиках; использова­нием маршалита (кварцевая мука) в качестве наполнителя в формо­вочной смеси, что обеспечивает получение гладкой поверхности отливки.

Литье по выплавляемым моделям применяют при производстве отливок очень сложной конфигурации из любых литейных сплавов, в том числе из высоколегированных сталей, имеющих высокую тем­пературу плавления и трудно поддающихся механической обработ­ке и ковке. Этим способом можно получать отливки массой 0,02... 100 кг, с толщиной стенок до 0,5 мм и отверстиями диаметром до 2 мм.

2. Технология получения отливок литьем по выплавляемым моделям включает следующие этапы: а) изготовление разъемных пресс-форм; б) получение неразъемных легкоплавких моделей в пресс-формах; в) изготовление неразъемной разовой формы по легкоплавким моделям; г) выплавление моделей из формы; д) обжиг формы; е) заливка формы металлом и выбивка готовых отливок.

Разъемные пресс-формы изготовляют из стали или алюминиевых сплавов. Полость пресс-формы точно повторяет конфигурацию и размеры будущей детали с учетом усадки модельного состава.

Неразъемные легкоплавкие модели получают запрессовкой в пресс-форму модельного состава, нагретого до тестообразного состояния. Для его изготовления широко используют легкоплавкие материалы: парафин, стеарин, воск, церезин, канифоль и др. Лег­коплавкая модель в отличие от обычной является точной копией изготовляемой детали: она неразъемна, имеет все внутренние полости, отверстия, резьбу и не имеет стержневых знаков.

Рис. I. 11. Литье по выплавляемым моделям.

На рис. I. 11 приведен чертеж отливаемой детали 1 и неразъ­емной модели, отличающейся от нее наличием питателя 2. Модели питателями «припаивают» к общему легкоплавкому стояку 5, и в результате получают блок моделей. Чтобы изготовить литейную форму, готовый блок моделей окунают в огнеупорную смесь, пред­ставляющую собой суспензию маршалита (60...70 %) в гидроли­зованном этилсиликате (30...40 %). После окунания на моделях, питателях и стояке остается тонкая огнеупорная пленка смеси 4. Эта же смесь заполняет все полости и отверстия в моделях, образуя стержни. Для упрочнения огнеупорной пленки блок моделей посы­пают мелким сухим кварцевым песком 5. Прилипая к сырой плен­ке, песок образует огнеупорный слой, который сушат либо на воздухе, либо помещая блок моделей в аммиачную камеру для уско­ренной химической сушки. Когда слой высыхает, операции окуна­ния, посыпания песком и сушки повторяют от 3 до 5 раз. После сушки последнего огнеупорного слоя получают форму в виде много­слойной оболочки с заформованными легкоплавкими моделями. Форму помещают в сушильный шкаф и выдерживают при темпера­туре более 100 °С или погружают в горячую воду. Модели и эле­менты литниковой системы (стояк и питатели) плавятся и вытекают из формы. Для выжигания остатков модельного состава из полости, а также для упрочнения оболочки полученную литейную форму в металлическом ящике 6 засыпают металлической дробью и поме­щают в термическую печь, где обжигают при температуре 800...900 °С. Заливку металла производят в горячую форму, что дает возможность получать тонкостенные сложной конфигурации отлив­ки. Выбивку отливок и отделение литников осуществляют на вибро­установках.

Кроме выплавляемых моделей в литейном производстве исполь­зуют выжигаемые модели при изготовлении ответственных отливок массой до 3,5 т из чугуна, стали и цветных сплавов в единичном производстве. Для изготовления выжигаемых моделей используют пенополистирол, который в 50...100 раз легче древесины, легко режется горячей проволокой и легко склеивается.

Представляет собой способ получения отливок в многослойных оболочковых неразъемных разовых формах. Формы изготавливают с использованием выплавляемых, выжигаемых и растворяемых моделей однократного применения. Применение этого способа обеспечивает возможность изготовления из любых литейных сплавов фасонных отливок, в том числе сложных по конфигурации и тонкостенных.

Последовательность подготовительных и основных производственных операций при различных вариантах современного промышленного процесса литья по выплавляемым моделям представлена на рис.3.9.

Рисунок 3.9

Модели отливок изготавливают преимущественно с применением металлической пресс-формы. Для изготовления моделей используют воскообразные сплавы, в состав которых могут входить парафин, церезин и различные воскоподобные материалы. Воскообразные модельные составы обычно запрессовывают в полость пресс-формы в жидком или пастообразном состоянии. На рис.3.9, а показана запрессовка модельного состава в четырехместную пресс-форму 1. Модели отливок обычно собирают в блок, соединяя их с моделью литниковой системы, сделанной также из модельного сплава. В условиях массового производства обычно применяют высокопроизводительный метод механического соединения звеньев в блок (рис.3.9, б) нанизыванием на ме-таллический стояк-каркас и скреплением их пружинным устройством в верхней части стояка. На стояк с рукояткой 3 и опорным фланцем 4 сначала надевают модель литниковой воронки 5, затем нанизывают звенья 2 моделей 4 и скрепляют прижимным устройством 6 с гайкой 7, после чего на нее напаивают колпачок 8 из модельного сплава.

Для получения оболочки формы (рис.3.9, в, г) на модельные блоки путем их погружения в бак 9 последовательно наносят несколько слоев суспензии 10, содержащей раствор специального связующего (например, этилсиликата) и порошок огнеупорной основы (пылевидный кварц, корунд, алюмосиликат и пр.). Каждый слой суспензии присыпают упрочняющими его огнеупорными материалами 12 (например, кварцевым песком, шамотом или корундом), которые располагаются в специальном устройстве 11 во взвешенном состоянии. Обычно для получения оболочки необходимой прочности наносят от 3-4 до 7-8 слоев суспензии, а при изготовлении крупных отливок наносят до 18-20 слоев, получая, таким образом, оболочку толщиной около 20-22 мм. Сушка слоев оболочки состоит из двух процессов: собственно сушки (испарения органических растворителей или воды, введенных в состав связующего) и отверждения пленки связующего вещества в результате огеливания или полимеризации.

Удаление моделей после формирования оболочки производят различными способами с учетом свойств модельного сплава. Так, легкоплавкие воскообразные составы на основе парафина удаляют из оболочки в горячей воде, горячим воздухом или паром, в перегретом расплаве модельного состава и т.п. На рис.3.9, д показано в качестве примера удаление моделей в горячей воде (14 – бак с горячей водой; 15 – сетка для приема оболочки формы 16; 17 – сливной патрубок для очистки модельного сплава). После удаления модельного сплава оболочки сушат (рис.3.9, е) и затем для удаления остатков его органических компонентов прокаливают при температуре 850-1000 o С. Заливку форм производят непосредственно после прокаливания их в горячем состоянии при температуре 600-900 o С, что обеспечивает хорошее заполнение форм. Заливка может производиться как в заформованные в опорный наполнитель 19 оболочки (рис.3.9, ж), так и в незаформованные. После заливки форм и охлаждения отливок оболочка обычно растрескивается на поверхности литого блока из-за меньшего сжатия при охлаждении по сравнению с усадкой металла. Отливки 21 отделяются от литниковой системы 22 механически, например, специальным инструментом – трубчатой фильерой 23 (рис.3.9, з).

Преимущества литья по выплавляемым моделям по сравнению с литьем в песчано-глинистые разовые формы заключаются в следующем:

• отсутствие разъема формы, что обеспечивает повышенную точность размеров и массы отливок;
• уменьшение параметров шероховатости поверхности и существенное улучшение внешнего товарного вида отливок;
• улучшение заполняемости форм из-за их предварительного подогрева;
• улучшение условий затвердевания отливок в силу более медленного охлаждения;
• сокращение в несколько раз объема переработки и транспортирования формовочных материалов;
• уменьшение объема механической обработки отливок.

Кроме того, для литья по выплавляемым моделям характерна меньшая жесткость оболочки, что следует рассматривать как достоинство метода в сравнении с методами литья в кокиль.

Литье по выплавляемым моделям – это процесс, в котором для получения отливки применяются разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, полученные по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей. Перед заливкой расплава модель удаляется из формы выплавлением, выжиганием, растворением или испарением. Для удаления остатков модели и упрочнения формы ее нагревают до высоких температур. Прокалкой формы перед заливкой достигается практически полное исключение ее газотворности, улучшается заполняемость формы расплавом. Основные операции технологического процесса показаны на рисунке 2.1.

Модель или звено моделей 2 изготовляют в разъемной пресс-форме 1, рабочая полость которой имеет конфигурацию и размеры отливки с припусками на усадку модельного состава и материала отливки, а также обработку резанием (рисунок 2.1, а). Модель изготовляют из материалов, либо имеющих невысокую температуру плавления (воск, стеарин, парафин), либо способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол).

Готовые модели или звенья моделей собирают в блоки 3 (рисунок 2.1, б), имеющие модели элементов литниковой системы из того же материала, что и модель отливки. Блок моделей состоит из звеньев, центральная часть которых образует модели питателей и стояка. Модели чаши и нижней части стояка изготавливают отдельно и устанавливают в блок при его сборке.

Рисунок 2.1 – Последовательность изготовления многослойной оболочковой формы по выплавляемым моделям: а – запрессовка модельного состава в пресс-форму; б – сборка блока; в – нанесение на блок суспензии; г – посыпка огнеупорным зернистым материалом: д – сушка; е – удаление модели; ж – засыпка опорным.материалом; з – прокалка в печи; и – заливка формы расплавом; 1 – пресс-форма; 2 – модель; 3 – блок моделей отливок и литниковой системы; 4 – слой суспензии; 5 – огнеупорный зернистый материал; 6 – пары аммиака; 7 – горячая вода; 8 – опорный материал; 9 – печь; 10 – прокаленная форма; Q – подвод теплоты

Для получения оболочковых форм полученный блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью – суспензией, состоящей из пылевидного огнеупорного материала, например, пылевидного кварца или электрокорунда и связующего (рисунок 2.1, в). В результате на поверхности модели образуется слой суспензии 4 толщиной менее 1 мм. Для упрочнения этого слоя и увеличения его толщины на него наносят слои огнеупорного зернистого материала 5 (мелкий кварцевый песок, электрокорунд, зернистый шамот) (рисунок 2.1, г). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщины (3 – 10 слоев). При этом каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака 6, что зависит от связующего (рисунок 2.1, д).

После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. В качестве примера на рисунке 2.1 показано, как в процессе удаления выплавляемой модели в горячей воде 7 при температуре менее 100 о С получают многослойную оболочковую форму (рисунок 2.1, е).

С целью упрочнения формы перед заливкой ее помещают в металлический контейнер и засыпают огнеупорным материалом 8 (кварцевым песком, мелким боем использованных оболочковых форм) (рисунок 2.1, ж).

Для удаления остатков моделей из формы и упрочнения связующего контейнер с оболочковой формой помещают в печь 9 для прокаливания (рисунок 2.1, з). Прокалку формы ведут при температуре 900 – 1100 о С, далее прокаленную форму 10 извлекают из печи и заливают расплавом (рисунок 2.1, 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 уменьшить продолжительность прокаливания формы перед заливкой и сократить энергозатраты. Так, например, организован технологический процесс на автоматических линиях для массового производства отливок.

Малая шероховатость поверхности формы при достаточно высокой огнеупорности и химической инертности материала позволяет получать отливки с поверхностью высокого качества. После очистки от остатков оболочковой формы шероховатость поверхности отливок составляет от Rz = 20 мкм до Ra - 1,25 мкм.

Отсутствие разъема формы, использование для изготовления моделей материалов, позволяющих не разбирать форму для их удаления, высокая огнеупорность материалов формы, а также нагрев ее до высоких температур перед заливкой способствуют улучшению заполняемости, дает возможность получать отливки сложнейшей конфигурации, максимально приближенной или соответствующей конфигурации готовой детали, из практически всех известных сплавов. Достигаемый коэффициент точности отливок по массе (КТМ = 0,85 – 0,95) способствует резкому сокращению объемов обработки резанием и отходов металла в стружку. Точность отливок может соответствовать классам точности 2 – 5 по ГОСТ 26645-85 (изм. № 1,1989), припуски на обработку резанием для отливок размером до 50 мм обычно не превышают 1 мм, а для отливок размером до 500 мм – около 3 мм. Поэтому литье по выплавляемым моделям относится к прогрессивным материало- и трудосберегающим технологическим процессам обработки металлов.

Особенности формирования отливок и их качество. Получение отливок в оболочковой форме сопряжено с рядом особенностей, в частности, перед заливкой форму нагревают до сравнительно высоких температур. Это определяет следующие технологические моменты.

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 стальных отливок с толщиной стенки 0,8 – 2 мм со значительной площадью поверхности. Улучшению заполняемости формы способствуют также и малая шероховатость ее стенок, возможность использования внешних воздействий на расплав, таких, как поле центробежных или электромагнитных сил, заливка с использованием вакуума и др.

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 пористости. 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.

Повышенная температура формы при заливке способствует развитию на поверхности контакта отливки с формой физико-химических процессов, результатом которых может быть как желательное изменение структуры поверхностного слоя отливки, так и нежелательное, т. е. приводящее к появлению дефектов 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 кислорода воздуха с металлом отливки при ее затвердевании и охлаждении. Основные факторы, влияющие на процесс обезуглероживания, – это состав газовой среды, окружающей отливку, температура отливки и формы, содержание углерода в отливке.

С увеличением содержания в окружающей отливку среде газов-окислителей (О 2 , СО 2 и паров Н 2 О) при высоких температурах отливки и формы процессы обезуглероживания интенсифицируются. Поэтому небольшая скорость охлаждения отливки в нагретой оболочковой форме способствует увеличению глубины обезуглероженного слоя. 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 длительности реакции. На отливках из легированных сталей следствием физико-химического взаимодействия материалов формы и отливки при высоких температурах появляются точечные дефекты (питтинги), приводящие к снижению коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности отливок и их браку.

Предупредить появление этого дефекта можно созданием восстановительной газовой среды в форме; проведением заливки форм в вакууме, в нейтральной или защитной среде; уменьшением или устранением взаимодействия оксидов отливки и формы; заменой ее огнеупорного материала, например кремнезема, основными огнеупорами (магнезитовыми, хромомагнезитовыми).

Наконец, стремление получить отливки с чистой гладкой поверхностью вызывает необходимость использования огнеупорных материалов с малыми размерами зерна основной фракции (менее 0,03 мм). Это снижает газопрони-цаемость оболочковой формы, создает опасность образования воздушных «мешков» в форме при ее заполнении, приводит к снижению заполняемости формы и образованию дефектов отливок из-за незаполнения форм.

Эффективность производства и область применения. Исходя из производственного опыта, можно выделить следующие преимущества способа литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям:

1. возможность изготовления из практически любых сплавов отливок сложной конфигурации, тонкостенных, с малой шероховатостью поверхности, высоким коэффициентом точности по массе, минимальными припусками на обработку резанием, с резким сокращением отходов металла в стружку;
2. возможность создания сложных конструкций, объединяющих несколько деталей в один узел, что упрощает технологию изготовления машин и приборов;
3. возможность экономически выгодного осуществления процесса в единичном (опытном) и серийном производствах, что важно при создании новых машин и приборов;
4. уменьшение расхода формовочных материалов для изготовления отливок, снижение материалоемкости производства;
5. улучшение условий труда и уменьшение вредного воздействия литейного процесса на окружающую среду.

Наряду с преимуществами данный способ обладает и следующими недостатками:

1. процесс изготовления литейной формы является многооперационным, трудоемким и длительным;
2. большое число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки, и соответственно связанная с этим сложность управления их 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, сложность 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, а именно:

1. изготовление отливок, максимально приближающихся по конфигурации к готовой детали, с целью снизить трудоемкость обработки труднообрабатываемых металлов и сплавов резанием, сократить использование обработки давлением труднодеформируемых металлов и сплавов, заменить трудоемкие операции сварки или пайки для повышения жесткости, герметичности, надежности конструкций деталей и узлов;
2. изготовление тонкостенных крупногабаритных отливок повышенной точности с целью уменьшить массу 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 разных отраслях машиностроения и в приборостроении. Использование литья в оболочковые формы для получения заготовок деталей машин взамен изготовления их из кованых заготовок или проката приводит к снижению в среднем на 34 – 90% отходов металла в стружку. При этом трудоемкость обработки резанием уменьшается на 25 – 85%, а себестоимость изготовления деталей – на 20 – 80%. Однако следует учитывать, что экономическая эффективность существенно зависит от выбора номенклатуры отливок, изготавливаемых этим способом. Только при правильном выборе номенклатуры деталей достигается высокая экономическая эффективность данного производства.