Базовые основы разработки литейной технологии на отливку «боковая рама». Технология вакуумно-пленочной формовки.

В статье проводиться анализ процессов формирования отливки в полости вакуумируемых форм и описываются базовые основы разработки литейной технологии на отливку «Боковая рама».

Ключевые слова: вакуумно-пленочная формовка, боковая рама, литейная технология, дефекты литья.

Перспективы развития железнодорожного транспорта, являющегося одной из основных артерий взаимодействия экономического потенциала страны, предполагают постоянное развитие всей отрасли производства подвижного состава. Изготовление грузовых вагонов в России за 8 месяцев 2017 года выросло на 78.5% до 35 тыс. штук (1), а на сегодняшний день, определен оптимальный уровень производства железнодорожных вагонов в России в объеме 45 тыс. вагонов в год (2).

Высокие требования к качеству крупных стальных железнодорожных отливок, предъявляемые производителям литья, обусловлены вопросами безопасности железнодорожных перевозок.

По статистике, с 2011 года по август 2017 года на железных дорогах России произошло 180 случаев излома боковых рам тележек (Рис. 1), за восемь месяцев 2017 года выявлено 957 боковых рам с дефектом (3). Наиболее ответственные детали грузовых вагонов –  боковые рамы тележек и надрессорные балки воспринимают статические и динамические нагрузки от веса вагона и груза, от ударов при прохождении пути, поэтому, основными причинами разрушения боковых рам является образование усталостных трещин, связанных с наличием в них внутренних литейных дефектов (4).

Известно, что усталостные трещины, чаще всего, развиваются в зоне над буксового проема и его наружных углах, чему способствует изгиб боковой рамы в вертикальной и горизонтальных плоскостях, в процессе ее эксплуатации. Считается, что основной причиной образования усталостных трещин, является литейный дефект (рыхлота), формирующаяся в зонах наружных и внутренних углов буксового проема (Рис. 2), а так же наклонного пояса и технологического окна.

Рисунок 1. Боковая рама

К сожалению, специалистами не рассматривается еще одна из существенных причин, являющаяся первоисточником формирования в отливке усталостных трещин, а это качество ее поверхностного слоя, особенно в местах, подверженных динамическим нагрузкам. При воздействии изгибающих динамических нагрузок, наиболее высокое напряжение приходиться на наружный поверхностный слой отливки, при том, что внутренний слой отливки с наличием усадочных раковин и рыхлоты, начинает испытывать нагрузку только после начала разрушения поверхностного слоя отливки.

Рисунок 2. Термические узлы буксового проема

Давайте проведем углубленный анализ процессов происходящих в форме при заполнении ее жидким металлом и определим основные проблемные места формирования отливки, влияющие на ее качество (Рис. 3).

Рисунок 3. Вариант литейной технологии на боковую раму

При поступлении жидкого металла через питатели, расположенные по линии разъема формы, металл сливается на нижнюю горизонтальную плоскость полости формы и сразу растекается тонким слоем. Температура поступающего расплава в первоначальный момент заливки, понижается за счет передачи тепла холодным стенкам литниковых ходов и холодным стенкам полости формы.

В дальнейшем, растекание металла приостанавливается, за счет его охлаждения, повышения вязкости и снижения жидкотекучести. Начинает происходить кристаллизация металла, вступившего в контакт со стенками формы. Под действием высокой температуры расплава, растекающегося по нижней части формы, происходит практически мгновенное разложение облицовочной пленки, приводящее к выделению газов под слоем металла и смешивание с ним, что создает условия образования мелких наружных и внутренних газовых пор в застывающем слое металла.

Продолжающее поступление жидкого расплава в форму, напирающего на слой уже загустевающего охлажденного металла, приводит к его натеканию и растеканию по нижнему слою. Стыковка и соединение разных фронтов охлажденного металла, появляющихся при заливке формы через несколько питателей, может привести к образованию дефектов – не спаи и неслитины (Рис. 4).

Рисунок 4. Горячая трещина на боковой поверхности отливки, связанная с дефектом не спай

В виду существующей разности температур и вязкости нижнего и верхнего слоев металла не всегда происходит их полноценное слияние (Рис. 5), при этом образуются зоны поверхностной ликвации. Верхний, горячий слой металла, в местах  его интенсивного продвижения, может расплавить затвердевшую корку металла, и привести к образованию дефекта «апельсиновая корка».

На формирование поверхности отливки в первоначальный момент заполнения формы, так же влияют ее фазовые превращения из жидкого в твердый, затем опять в жидкий и твердый. Этот процесс, в конечном счете, способствует хаотичному, неупорядоченному  росту кристаллов и дополнительному ослаблению прочности материала отливки.

Рисунок 5. Неполноценное слияние слоев металла

При заполнении нижней части полости формы металлом, в связи с поступлением металла сверху вниз, создаются волнообразные колебания его поверхности и при первичном контакте «гребешков волн» металла с верхом полости формы, либо со стенками стержней, происходит выделение из них газов и образование мест сгусток застывающего металла в виде рыхлоты.

Дальнейшее заполнение полости формы металлом в этих местах, имеющих прилипшие сгустки рыхлоты, может привести к образованию разнообразных микродефектов, снижающих прочность металла в различных зонах отливки. К сожалению, не возможность точного прогнозирования, либо расчета траектории движения жидкого металла в полости формы для отливки «боковая рама», имеющей сложную конструкцию, приводит к беспорядочному формированию ослабленных зон отливки в разных ее местах (рис. 6).

Рисунок 6. Моделирование процесса заливки формы металлом

Неконтролируемое изменение траектории движения жидкого металла в форме, связано с неровностью стенок, перекосом либо смещением половинок формы, неравномерностью покраски и т.д. В связи с этим, попытки создать оптимальную литейную технологию на эту отливку при горизонтальном ее расположении в форме, обречены на провал, какую-бы идеальную литейную технологию не разрабатывали.

Кроме этого, стержня, при взаимодействии с жидким металлом, за счет выгорания материалов и использования песка крупных фракций, формируют внутреннюю не ровную, шероховатую, рыхлую поверхность (Рис. 7), также снижающую прочность стенок отливки.

Рисунки 7-8. Качество поверхностей отливки, формируемое стержнями

Суммарное влияние, перечисленных выше микродефектов в наружном, самом нагруженном слое отливки, приводит к значительному снижению плотности металла, образованию мест концентрации напряжений, ржавлению и окислению металла. При длительных динамических нагрузках, микро дефекты приводят к началу формированию усталостных трещин, в дальнейшем развивающихся в зонах усадочных дефектов отливки (Рис.9, Рис. 10, Рис. 11).

Рисунки 9-11. Ржавление дефектных мест отливки

Использование технологии вакуумно-пленочной формовки (ВПФ), имеющей существенные отличия от других технологий, по условиям формирования отливки в форме, предопределило ее предпочтительное использование при производстве крупных ж/д отливок. Литейные формы, изготовленные из сухого песка, вакуума и синтетической пленки, создают необходимые условия для бездефектного формирования стальных отливок.

Давайте определим необходимые условия для разработки оптимальной литейной технологии на отливку «боковая рама», что бы предотвратить негативное влияние всех вышеперечисленных процессов, применительно к технологии вакуумно-пленочной формовки, то есть создать условия образования плотной структуры металла отливки без внутренних и внешних изъянов.

Условия бездефектного формирования отливки в вакуумной форме:

1. Создание направленного, спокойного, не перемерзающего фронта жидкого металла.
2. Исключение попадания жидкого металла на поверхность полости формы, облицованную пленкой.
3. Моделирование мест подвода расплава в полость формы и его движения внутри ее единым потоком для предотвращения образования неслитин и не спаев.
4. Осуществление подачи расплава только в верхний слой металла в процессе заполнения формы.
5. Исключение плоскостного контакта жидкого металла со стенками стержней и сводом полости формы.
6. Создание условий полноценной подпитки жидким металлом термических узлов в процессе их охлаждения, как в верхней, так и в нижней части формы.
7. Создание условий для направленной кристаллизации отливки внутри формы.
8. Не допущение образования грубой, неровной поверхности, как со стороны формы, так и со стороны стержней.

Как известно, для предотвращения, не контролируемого растекания металла внутри формы плоскостной отливки, производят наклон формы при заливке ее металлом, позволяющий создать направленный фронт не перемерзающего потока жидкого металла без неслитин и не спаев. В большинстве используемых формовочных линий не предусмотрена возможность наклона формы, но для такого типа оборудования необходимо применять специальные под модельные плиты, позволяющие размещать модели под наклоном (Рис. 12).

Рисунок 12.  Принцип размещения отливок в форме под наклоном

Кроме этого, наклон моделей в форме устраняет вероятность плоскостного контакта жидкого металла со сводом формы и стенками стержней, а также предотвращает натекание расплава на облицовочную пленку до ее термического разложения.

Для предотвращения попадания металла на облицовочную пленку в полости формы, в первоначальный период ее заливки, необходимо подвести жидкий металл снизу - сифоном, а для перераспределения потока металла (снизу вверх), в процессе заполнения формы, использовать специальный вид питателя (Рис. 12).

Конструктивно, такой питатель позволяет начать заливку формы снизу, а затем автоматически перераспределить поток металла в верхние слои расплава. Главным достоинством такого питателя является то, что при заливке формы, на любом из ее уровней, гидравлическое давление металла будет равнозначным. Плавное перераспределение потока расплавленного металла снизу вверх полости формы, создает условия для направленной кристаллизации металла отливки, то есть, горячий металл из питателей подымается вместе с металлом в форме и поступает всегда под поверхностный его слой.

Применение такого вида питателей, предотвращает образования колебаний жидкого металла в полости формы и его разбрызгивание.

Для улучшения условий усадки металла в термических узлах, особенно расположенных в нижней части отливки, необходимо направить разогретый металл в тонкую стенку между термическими узлами для ее усиленного разогрева и гарантированной подпитки нижнего термического узла через верхний узел, подпитывающийся из прибыли.

Важным условием такого способа заполнения термических узлов отливки и формирования плотной структуры металла, является то, что поступление жидкого металла через питатель в полость формы должно начинаться,  только при повышении уровня металла в форме до уровня подвода питателя, что дополнительно успокаивает движение металла внутри этой части формы. Для ускорения кристаллизации металла в нижних термических узлах и создания направленного роста кристаллов, рекомендуется использовать наружные холодильники, повторяющие конфигурацию нижней части охлаждаемого участка отливки.

При невозможности применения стержней сложной формы, допускается использование насыпных материалы, имеющих высокую теплопроводность. Они насыпаются вместе с песком на места, требующие интенсивного охлаждения (металлическая дробь, хромитовый песок и т.п.). Возможно охлаждение поверхности термических узлов потоком холодного воздуха, подаваемого в зоны охлаждения через специальные каналы, соединенные с атмосферным воздухом. Применение внутренних холодильников, как правило, приводит к хаотичному росту кристаллов, снижающих качество металла.

При невозможности применения холодильников сложной формы, допускается использование насыпных материалов, имеющих высокую теплопроводность  (Рис. 13).

Рисунок 13. Подвод металла в меж узловую часть отливки - напрямую и через стержень

Для предотвращения процесса окисления металла внутри формы и образования плен, влияющих, как на качество металла оливки, так и на ее внешний вид, перед заливкой, рекомендуется полость 

формы заполнить инертным, тяжелым газом (к примеру - аргон), который предотвратит контакт жидкого металла с кислородом.

Использование сборных стержней, изготовленных из двух и более частей с деформируемыми  (разрушаемыми) вставками, позволяют значительно снизить вероятность появления горячих трещин, образующихся из-за значительной усадки металла. Использование стержней, изготовленных методом вакуумно-пленочной формовки, может полностью устранить дефект - горячие трещины в отливке «боковая рама».

Технология вакуумно-пленочной формовки позволяет получать качественное литье, при этом процессы, происходящие в полости формы при заливке ее металлом, зависят от любых отклонений, допускаемых при ее изготовлении, а так же от нарушений параметров производства отливок.

Заключение:

В этой статье определены базовые принципы разработки литейных технологий на отливку «боковая рама» с использованием метода вакуумно-пленочной формовки. Описанные выше решения помогут литейщикам пополнить их существующий арсенал средств, необходимых при разработке единственной, бездефектной технологии.

Необходимо помнить, что на формирование внутренних и внешних поверхностей и подповерхностных слоев металла отливок без микро изъянов, в совокупности описанных дефектов, существенно снижающих их прочность, необходимо уделять внимание не значительным с виду, технологическим переходам и используемым расходным материалам, таким как:

• расположение отливок в форме,
• толщина облицовочной пленки,
• размер формовочного песка,
• величина разряжения в форме в процессе ее заливки,
• химический состав антипригарной краски,
• качество виброуплотнения формовочного песка,
• сечение и конфигурация литниковых ходов и т.д.

К сожалению, подробное описание некоторых технических и технологических решений в этой статье не сделано, в связи с необходимостью определения их патентной чистоты.

Литература:

1. Анна Булаева, Gudok.ru // 18.09.2017.
2. Оптимальный уровень производства ж/д вагонов в России // АТИ – Медиа. Информационный портал о грузоперевозках и логистике. – 14.03.2018.
3. Леонид Акопов, Gudok.ru // Волжская магистраль. – 28.09.2017.
4. Монастырский А.В., Бубнов В.М., и др., Литейщик России // Излом боковой рамы тележки грузового вагона. Анализ технологии производства, пути устранения дефектов. - №11. – 2012. – с. 9 – 13.
5. Каторгин С. В., Воронин Ю. Ф., Молодой ученый. // О влиянии технологических параметров на качество отливок «Рама боковая», - №11. - 2011. - Т.1. - С. 50-52.

ИТБ "Литье Украины", №5 (213) 2018 г.