Идентификация свойств высокопрочного чугуна при ЛГМ-процессе для оптимизации конструкций отливок и металлосбережения

Статьи от автора: Дорошенко В.С.

Дорошенко В. С. к.т.н.,

с.н.с. Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины

Аннотация. Выполнена модификация способа термического анализа металла путем синтезирования его с элементами технологии литья проб вакуумным всасыванием, по газифицируемым моделям или вакуумно-пленочной формовки. По сути, предложен метод «инмолд-термического анализа». Описаны возможности этого способа для контроля качества ЧШГ при внутриформенном модифицировании и оптимизации конструкций отливок для снижения их металлоемкости.

Ключевые слова: термический анализ, высокопрочный чугун, ЧШГ, ЛГМ-процесс, вакуумно-пленочная формовка, модифицирование, инмолд-процесс, контроль качества, оптимизация конструкции, экономия металла.

Металлосберегающим методом, применяемым при производстве отливок из ЧШГ, является внутриформенное модифицирование (инмолд-процесс) в проточных реакторах, расположенных в литейной форме [1]. Модифицирование в предкристаллизационном периоде обеспечивает получение облегченных тонкостенных отливок с толщиной стенок 2,5-10 мм без структурно-свободных карбидов (отбела) с повышенным уровнем механических свойств и снижением расхода сфероидизаторов в 2-3 раза, в сравнении с традиционным модифицированием в ковше. В этом процессе литниковая система снабжена реакционной камерой, которая выполняет функцию индивидуального для каждой формы проточного химического реактора. Отсюда, если при ковшевом модифицировании, как правило, довольствуются пробой из ковша, то для уверенности на 100 % о качестве металла, прошедшего такой реактор, приходится контролировать отливки из каждой формы.

Разрабатываемые высокотехнологичные процессы в русле современной тенденции металлосбережения, как правило, сочетаются с решением вопроса контроля качества отливок. По этой теме рассмотрим метод термического анализа (ТА), активно совершенствуемый, в частности, компанией Fassmet (www.fassmet.com, Италия) [2] и учеными ФТИМС НАН Украины [3-5] для литейного производства и металлургии, как технологии контроля качества металлов на этапе от выплавки, заливки литейных форм и кристаллизации отливки. ТА позволяет не только определять состав химических элементов в расплаве, но и, с высокой вероятностью прогнозировать свойства металла в отливке, когда метал еще в печи.  

Нижеописанные разработки изначально были выполнены для контроля качества ЧШГ при модифицировании его непосредственно в литейной форме [6]. Они, в свете концепции сочетания высокопрочных металлов с точными способами литья, используют операции литья в формах из сыпучего песка, которые изготовлены вакуумной формовкой по газифицируемым моделям (ЛГМ-процесс, в англоязычной терминологии - «Lost Foam Casting Process»), но применимы также для литья в традиционные песчаные формы со связующим.

Среди отечественных патентов известен способ определения легирующих и примесных элементов и газов в металлах с применением записи измерений температуры пробы в течение времени на установке ТА металлов, включая отбор проб, которые изготавливают с помещенными в них термопарами и при их охлаждении записывают кривые «температура-время» для последующего анализа [3]. Примеры способа описаны для анализа алюминиевого сплава в тигле без указания о дальнейшем использовании сплава после проведения анализа их элементов. Такой сплав может направляться на изготовление чушкового шихты для раскисления стали или для литья заготовок, а практическое выполнение способа включает отбор проб при наличии пробоотборников, подачи в них металла, удержание их в нагретом состоянии при затвердевании в них металла при записи кривых, а также утилизацию проб и сопутствующих отходов. Эти операции связаны с некоторой трудоемкостью, затратами времени и материалов, а также соблюдением безопасности работы с расплавом металла.

Одной из последних разработок является способ ТА жидкого чугуна, который включает получение термической кривой охлаждения образца чугуна, подлежащего анализу, и кривых охлаждения референсных образцов металлов с заранее определенными свойствами [5]. Одна из отличительных особенностей способа состоит в том, что для выполнения анализа пробы отбораются с помощью стаканчика-пробоотборника погружения. Особенности таких специально изготовленных пробоотборников, без которых невозможен анализ, является то, что они изготавливаются из высококачественных огнеупорных материалов, устойчивых к погружению в расплав металла или его заливки без разрушения пробоотборников и инертных к взаимодействию с пробой.

Пробоотборники используются по аналогии с калориметрами и подлежат изготовлению с высокой точностью для обеспечения одинаковых условий охлаждения образца металла в процессе ТА и многих референсных образцов, что влияет на точность ТА. Погружение разовых керамических или песчаных пробоотборников в жидкий металл, или его заливки в их емкости часто требует их предварительного нагрева и хранения в безопасной от влаги среде во избежание выделения газов при контакте с расплавом металла. Изготовление, подготовка к заполнению металлом пробоотборников, их заполнение расплавом металла, проведение измерений требуют трудозатрат при работе с расплавом металла, предусматривает меры безопасности во избежание ожогов и травм работника с квалификацией заливщика при заполнении вручную пробоотборников и непредвиденных случаев утечки или выплеска из них расплава металла. Даже на одной фотографии  выполнения ТА на сайте Fassmet видно разлитый металл вокруг проб (рис. 1).

 

Рис. 1. Заливка и охлаждение проб при ТА [2]. (http://www.fassmet.com/wp-content/uploads/2014/03/IMMAGINE-FONDERIA-2-2.png)

Применение металлического теплоизолированного пробоотборника при погружении его в расплав чугуна при отборе пробы для определения твердости НВ чугуна, как указано в примере способа [5], требует специальных сплавов (достаточной термостойкости) для его изготовления, нанесения и обновления огнеупорной теплоизоляции по всей поверхности контакта с расплавом. При этом материал формы отливки, в которую заливают металл после анализа, как правило, значительно отличается от материала такого пробоотборника, как и условия охлаждения проб от таких условий для металла отливки. В частности, среднюю твердость чугуна по Бринелю (НВ) по ГОСТ 1412-85 для образцов, полученных в металлическом пробоотборнике, рекомендовано соотносить с НВ отливки в металлическую форму. Но по статистике до 80 % отливок из металлов и сплавов получают в песчаные формы, поэтому согласно ГОСТ 24648-90 пробы для механических испытаний чугуна рекомендовано отливать в формы из кварцевого песка, и только для отливок, полученных в металлических формах, допускается отливать пробы в металлические формы.

Известные способы ТА металла [3, 5] практически никак не связаны с условиями кристаллизации получаемой отливки из анализируемого металла, а лишь идентифицируют свойства металла в пробе, находящейся в пробоотборнике, с часто совсем иными условиями кристаллизации металла, чем в отливке. Очевидна обоснованность регламентации ГОСТ 24648-90, что пробы, в частности для чугуна, следует отливать в той же форме, в которой получают отливку.

Также способ контроля качества металла отливки методом ТА при модифицировании металла непосредственно в литейной форме, в том числе ЧШГ, вообще не разработан (согласно анализу литературы). Отсюда, разработка нового способа ТА преследовала цель снижения трудоемкости, повышения его экспресности и безопасности, а также создания условий для ТА металлов, проходящих обработку в литейной форме при заливке ее металлом в процессе изготовления отливок.

Решение этой задачи осуществили тем, что в способе ТА, включающем операции отбора проб жидкого металла, отбор пробы выполняли путем замещения жидким металлом модели пробы, изготовленной из газифицируемого материала. Эту модель формовали в тот же песчаный наполнитель, из которого изготовлена форма для получения отливки из анализируемого металла, причем модель пробы формовали в одну опочной оснастку с формой для получения отливки или в разные опочные оснастки. Кроме того, замещение жидким металлом модели пробы, заформованной в одну опочной оснастку с формой для получения отливки, как правило выполняли одновременно с заливкой формы для получения отливки, а отбор пробы выполняли путем приливання ее к отливке или ее литниковой системе. Также песчаный наполнитель, в который заформована модель пробы, во время отбора пробы и ТА металла могут вакуумировать.

Новизна решения, как и с помощью чего выполнять отбор пробы и удерживать ее (без чего невозможно выполнение ТА), состояло в том, что роль пробоотборника выполняла песчаная форма, в которую формовали модель пробы по технологии ЛГМ, в частности, из газифицируемого материала – пенополистирола (ППС). Эта песчаная форма может изготавливаться отдельно (в отдельной опоке), или (наиболее целесообразный вариант) заодно (в одной опоке) с песчаной формой для изготовления отливки, для которого выплавляли металл и производили ТА. Опочной оснасткой могут быть рамочные опоки, контейнер, жакет, в которых изготавливают песчаную форму.

Изготовленная в отдельной опоке песчаная форма - пробоотборник служила той же задачи, которой достигают известные способы [3, 5] - ТА металла для различных целей. А при формовке разовой модели пробы в одной опочной оснастке с песчаной формой для получения отливки пробоотборник не является отдельным объектом от этой формы, потому что его функцию выполняет лишь небольшая часть формы вокруг модели пробы. При этом термопару помещают не в полость пробоотборника (как по [3, 5]), а в тело разовой модели, изготовленной из ППС (с плотностью 20-25 кг/м3) или других газонаполненных полимеров, по технологии ЛГМ.

При этом наибольшая выгодность по снижению трудоемкости, повышению экспресности и безопасности ТА металлов достигается при совмещении ЛГМ с внутриформенным модифицированием, в частности ЧШГ, как ресурсоэффективного сочетания точного способа литья с производством отливок из высокопрочных сплавов высокотехнологичными способами. Для ЛГМ-процесса выгодно применение вакуумированных песчаных форм, в которых отбор проб уменьшает до минимума всплески металла по причине избыточного образования газов от газификации модели, поскольку газы всасываются через песчаный наполнитель вакуумируемой литейной формы. Применение для изготовления пробоотборников песчаной смеси без связующего, традиционной для ЛГМ, как одного из наиболее ресурсосберегающего литейного процесса, исключает специальные трудозатраты и дорогостоящие материалы (как правило, импортные), которые характерны для изготовления песчаных пробоотборников по известным способами ТА металлов, в том числе на основе железа, с их высокой температурой в жидком состоянии (1400-1700 °С).

При изготовлении разовой модели пробы из ППС термопару помещали в пресс-форму, в которую задували гранулы ППС, спекали их по технологии, известной для ЛГМ, и получали модель пробы с вмонтированной в нее термопарой. В отличие от керамических или металлических пробоотборников металл заливается не в их полость, заполненную воздухом, а в полость, «упакованную» в заполненные воздухом шарики ППС, которые составляют модель пробы. Выпуклый цилиндрик модели пробы значительно легче изготовить, чем огнеупорную негазотворную емкость-пробоотборник для выливания пробы. Кроме того, модель пробы также несложно изготовить методом вырезания из блочного ППС, в частности, вручную, на токарном станке или с применением инструмента с нагретой струной для резки ППС.

При отработке технологии модель изготавливали с небольшим питателем, который приклеивали к модели отливки из ППС или к модели его литниково-питающей системы в случае изготовления отливки по ЛГМ-процессу. Модель отливки с моделью пробы формовали в контейнерной форме в сухом оборотном кварцевом песке согласно известным операциям для ЛГМ. Свободные концы термопары удлиняли известными способами с использованием при необходимости компенсационных проводов, выходящих за пределы формы, которые подключали к известным устройств и получали данные ТА по методике вычисления аналогично известным способам.

В современных условиях развивается тенденция монтирования подобных устройства в составе современных компьютерных систем мониторинга литейных процессов. Например, программное обеспечение позволяет в компании Fassmet видеть результаты ТА он-лайн на планшетах, смартфонах или ПК по территории литейного предприятия, в том числе при визуализации только основных параметров в виде руководящих принципов, необходимых для управления процесса получения качественного металла в режиме реального времени. Веб-интерфейс может быть настроен на контроль качества конкретного типа производимого чугуна, связан с большой постоянно пополняемой базой данных. Метод ТА дает преимущество в случае выполнения разноплановых заказов, частых изменений в производстве или необходимости получения совершенно нового типа чугуна [2].

Предложенной методикой отбора проб литьем металла с изготовлением пробы способом ЛГМ достигали снижения трудоемкости, так как пробоотборник (не являлся отдельным элементом) изготавливался по модели пробы из ППС без отдельных операций в одном процессе формовки модели отливки как прилив к стенке отливки или деталь его литниковой системы, выпора или питающей прибыли [6]. При необходимости легкого отделения пробы от отливки этот прилив имел питатель с бороздкой пережима, по которой пробу отделяли, например, для дополнительных механических испытаний. Обычно практиковали прилив пробы к литниковой системе с утилизацией на повторный переплав вместе с ней.

Заливки металлом с самопроизвольным отбором проб в одной форме с отливкой по одной модели из ППС, или по модельному кластеру проходили без трудозатрат и затрат времени (повышение экспресности). Отсутствовали традиционные для известных способов операции заливки, содержание на соответствующей огнеупорной и защищенной от утечки металла опоре заполненного расплавом пробоотборника до затвердевания пробы. Процессы ТА проходили самопроизвольно в одной форме с отливкой без необходимости соблюдения правил безопасности, присущих отдельной заливке из ковша пробоотборника или заполнения его путем погружения в расплав. При этом отсутствует окисление металла пробы кислородом воздуха при нахождении пробы в вакуумированной форме с восстановительной атмосферой в ее полости, обусловленной газификацией ППС, а условия затвердевания пробы аналогичны такому для отливки в одной с ней песчаной форме. Постоянству заполнения объема предложенных вариантов пробоотборника (точности пробы) способствует вакуум формы, увеличивая заполняемость металлом формы благодаря эффекту вакуумного всасывания металла.

Предложенный способ ТА решает проблему контроля при внутриформенном модифицировании металла и формовке моделей проб из ППС практически в любых указанных технологом или контролером местах, например, в виде приливов между реакционной камерой и отливкой, в зоне выпора или прибыли. К новизне решения также можно отнести возможность формовки более одной модели пробы и отбор ряда проб в одной операции заливки вместе с получением отливки в одной форме. Это применимо для исследования или усовершенствования процесса модифицирования при наличии более одной реакционной камеры, или анализа металла до и после такой камеры, или для отливок, имеющих различный состав металла в разных частях. Посредством нескольких проб одновременно можно контролировать постоянство свойств металла в стенках отливок с крупными габаритами или разностенных и т. п. Формовать простую по конструкции модель пробы при стыковке к литниковым системам или стенкам модели товарной отливки несложно для всех видов песчаных форм. Модель из ППС указанной плотности примерно в 300 раз легче, например, жидкого чугуна, который легко ее замещает при заливке в песчаную форму.

Формовка модели пробы в различных опочных оснастках с формой товарной отливки рекомендована для предварительного анализа металла с возможностью коррекции его состава (дошихтовки) перед заливкой формы для получения отливки. Рассмотренные варианты ТА обеспечивают его гибкость, расширяя возможности его использования по сравнению с известными способами для оперативного прогнозирования технологических и эксплуатационных свойств (химического состава, структуры, литейных, физико-механических и других свойств) металла в производстве отливок различного назначения.

В настоящее время в исследованиях под руководством проф. Шинского О.И. проводится анализ параметрических признаков конструкций отливок и процессов их получения для уменьшения металлоемкости путем оптимизации литых конструкций и технологий формообразования при сопоставлении с базой данных высокопрочных металлов. Применение предложенной модификации ТА со многими пробами в комплекте с многоканальной компьютерной системой анализа позволит исследовать кристаллизацию, механические и другие эксплуатационные свойства отливки в любой точке, где устанавливается разовая модель пробы и выполняется отбор жидкого металла.

 Анализом проб на разных стенках отливки можно реализовать механизм практической оптимизации, например, по критерию зависимости металлоемкости - прочности отливок для выбора оптимальных вариантов их конструкции, оптимизации толщин их стенок при уточнении методики ТА для этих целей. Это позволит адаптировать компьютерные методы определения и прогнозирования эксплуатационных свойств литых деталей, создать базу данных для автоматизированных систем проектирования отливок с учетом технико-экономических показателей нового класса литых конструкций малой металлоемкости.

В развитие способа отбора проб по ЛГМ-процессу предложена его разновидность с переносным пробоотборником, которую физически моделировали с помощью бытового пылесоса, на сопло металлической (регулируемой длины) трубки для всасывания пыли которого насаживали (вместо щетки с отверстием) песчаную форму пробоотборника. Эту форму в металлическом стакане (контейнере) с емкостью 0,5-0,7 литра в зависимости от размера пробы формовали аналогично ЛГМ процессу.

В нижней части боковой стенки или дне стакана выполняли отверстие и соосно с ним приваривали к стакану патрубок для насадки на сопло трубки пылесоса. Изнутри стакана это отверстие закрывали газопроницаемым фильтром, не пропускающим песок. Этот стакан выглядел как одна из миниатюрных копий контейнерной опоки для вакуумируемых форм известных конструкций. При формовке в стакане на дно засыпали слой формовочной смеси, ставили модель пробы из ППС с вмонтированной термопарой, свободные концы которой удлиняли известными способами термопарным, термоэлектродным или компенсационным кабелем, выходящим за пределы стакана вдоль или внутри трубки пылесоса по направлению к переносному прибору. Затем засыпали смесь до верха стакана и герметизировали по его торцу синтетической пленкой с контактом к торцу модели. Стремились формовать пробоотборник, максимально приближая затвердевание в нем пробы к таким условиям для товарной отливки (состав песчаной смеси, степень ее уплотнения, и т.п.). Снаружи стакан окрашивали противопригарной краской.

Перед отбором пробы включали пылесос со стаканом на трубке, разрежение «превращало» пробоотборник в типичную вакуумируемую песчаную форму, которую торцом, покрытым пленкой, окунали на глубину до 5 мм в расплав металла в печи или в ковше. Практически достаточно было коснуться на несколько секунд зеркала металла, который газифицировал пленку, модель и собой герметизировал вакуумируемую песчаную смесь этой маленькой формы пробоотборника. Способом вакуумного всасывания получали пробу, пробоотборник устанавливали на подставку и отключали вакуумирование, обеспечивая охлаждение пробы в песчаной смеси с контролем температуры металла пробы. Остывшая проба высыпалась из стакана вместе с песком, аналогично наиболее распространенной версии ЛГМ-процесса.

В предложенном способе отбора проб целесообразно применение сигнализации в виде лампочки или звукового сигнала, включающихся при поступлении первого сигнала от термопары, как подтверждение заполнения пробоотборника и возможности прекращения контакта его с металлом. Удобно, когда регулятор степени разрежения находится на трубке с пробоотборником в месте для удерживания ее в руках. Опробовали также герметизацию торца пробоотборника не пленкой, а песчаным кольцом – стержнем, выполненным по СО2-процессу, отверстие этого кольца закрывал конец модели пробы.

Такой пробоотборник вакуумного всасывания удобен не только для ТА, но и с длинной трубкой - для отбора проб из крупных печей и миксеров, даже с металлом на дне. В литейных цехах вакуумной формовки вакуумные насосы, создают разрежение в несколько раз выше, чем бытовые пылесосы. Соответственно, для переносной вакуумируемой формы возможно использование более тонких трубок, чем для пылесосов, и длинномерные трубки будут легковеснее. При мелкодисперсном песке можно не герметизировать песчаный торец пробоотборника. В трубке возможно установка дополнительных огнеупорных газопроницаемых фильтров, на случай попадания в нее металла. Проба может быть не цилиндрической, а плоской пластинкой, затвердевшей («намороженной») на плоском торце вакуумируемого песка, может быть в виде гребешка с последующим отламыванием его мелких зубьев для химического анализа вместо часто применяемой стружки. Способ изготовления вакуумируемого стакана почти не отличается от изготовления ковшика для зачерпывания металла и снаружи окрашивается аналогичной краской, также возможно выполнение такого стакана из графитовых или алундовых тигельков или шамотных деталей печного припаса.

Кроме того, разработали технологию формовки пробы с использованием конусных стаканчиков (рюмок) емкостью 30 и 80 мл, которые массово производят из полистирола в качестве одноразовой посуды. Вес чугунных проб при этом получался около 200 и 550 г. При формовке в вакуумируем контейнере по вышеописанной технологии для модели из ППС во избежание прогиба стенок в полость стаканчика вставляют деревянный шаблон (или из ППС) с щелевой прорезью для термопары напротив прорези в стаканчике. Для укрепления термопары в стаканчике возможно использование клейкой ленты. Шаблон удаляют перед облицовкой пленкой торца изготовленной формы-пробоотборника (с отверстием напротив полости для пробы) или перед контактом пробоотборника с жидким металлом.

Известно десятки конструкций вакумируемой оснастки для литейных песчаных форм и вакуумного всасывания, элементы конструкции которых можно использовать для изготовления пробоотборника в зависимости от конкретных цеховых условий. В случае использования мелкой пластиковой одноразовой посуды получали практически переносную маленькую вакуумно-пленочную форму-пробоотборник (по V-процессу) для литья вакуумным всасыванием. Пленка посуды облицовывала песчаную форму. А в целом, в статье, очевидно, упомянуты три вида спецспособов литья с использованием вакуума при синтезировании их с процессом ТА.

Таким образом, в статье описана модификация способа идентификации качества металла методом термического анализа путем синтезирования его с элементами технологии литья проб вакуумным всасыванием, по газифицируемым моделям или вакуумно-пленочной формовки [7]. По сути, предложен метод «инмолд-термического анализа». Описаны возможности этого способа для контроля качества ЧШГ при внутриформенном модифицировании и оптимизации конструкций отливок для снижения их металлоемкости.

Литература:

  1. Бубликов В. Б., Нестерук Е. П. Эффективность модифицирования чугуна в проточних реакторах литниковых систем // Литейное производство - 2016. - № 9. – С. 8.
  2. Сhemical analysis versus thermal analysis of Cast Iron // Global Casting Magazine. – 2016. - Vol. 6, № 3. – P. 54. (http://content.yudu.com/web/y5b2/0A1snzj/GlobCastingVol6No3/flash/resources/index.htm)
  3. А. с. СССР №1636766, МПК G01N 33/20. Способ определения легирующих примесных элементов и газов в сплавах / Н. А. Абрамов, Б. А. Грешищев, В. А. Динерштейн, С. А. Козлов, М. Д. Молчанов, А. А. Смульский. - Опубл. бюл. №11, 1991.
  4. Захарченко Э.В., Жуков Л.Д., Сиренко Е.А., Богдан А.В., Гончаров А.Л., Кравченко Е.В. Усовершенствование универсального метода термического экспресс-анализа жидких чугунов, основаного на распознании формы кривих охлаждения // Процессы лиття - 2015.- №2.- С. 3 - 9.
  5. Пат. Украины № 99968, МПК G01N 33/20, G01N 25/04. Способ термического анализа жидкого чугуна / Е. В. Захарченко, К. А. Сиренко, А. Л. Гончаров, А. В. Богдан. - Опубл. 2015, бюл. № 12.
  6. Дорошенко В.С., Кравченко Е.В. Контроль качества высокопрочного чугуна при внутриформенном модифицировании и возможности оптимизации конструкций отливок при снижении их металлоемкости // Процессы литья. – 2016. - № 4. – С.  46-55.
  7. Дорошенко В.С., Кравченко Е.В. Новые способы отбора проб при идентификации свойств металла методом термоанализа, с возможностью оптимизации конструкций отливок // Литейное производство. – 2017. - № 2. - С. 28 -33.

 

Владимир Степанович Дорошенко. к.т.н.,

с.н.с. Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины,

doro55v@gmail.com

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №3 (199) 2017 г.
Стр. 17-21