Газодинамический баланс в песчаной форме при литье по газифицируемым моделям

Рассмотрены принципиальные особенности технологии ЛГМ, касающиеся поддержания газодинамического баланса при замещении модели расплавленным металлом в форме из песка без связующего. Показаны роль литниковой системы, литейной краски, условий вакуумирования и др. факторов. В цехах ЛГМ уровень брака на многие отливки не превышает 2%.

Ключевые слова: литье, ЛГМ, газифицируемые модели, Lost Foam Casting, литейное производство, ФТИМС

За последние десятилетия объем производства металлоотливок в странах СНГ уменьшился в 4…5 раз по сравнению с показателями 1985 г. Основной причиной такого снижения послужило многолетнее отставание технологического применения науки в литейных процессах на фоне отсутствия эффективной политики в области бизнеса: инвестиционных, маркетинговых и логистических процессов производства, сбыта и экспорта отливок. Снижение объема литейной продукции РФ, Украины и ряда др. стран в основном компенсировано Китаем.

Литейные песчаные формы применяют двух видов: 1) формы из смеси со связующим, прочность которых определяется силами адгезии и когезии связующего, образующего пленки на зернах песка и 2) формы с физическими методами упрочнения песка, в частности при его вакуумировании. С помощью первого вида форм в мире производят 73…75 % объема отливок, с помощью второго – 4…5%.

Для литья по газифицируемым моделям (ЛГМ, LostFoamCastingProcess) чаще всего применяют формы второго вида. ЛГМ занимает область производства отливок массой 0,1…1000 кг и выше и конкурирует с традиционной формовкой первого вида: песчано-глинистой (получают в ПГ-формы 50% отливок в России) и холодно-твердеющими смесями (ХТС, 29% литья в РФ). Важным элементом выбора вида песчаных смесей является возможность регенерация формовочных материалов, когда их отходы составляют менее 5%. В Японии, США, Германии и др. странах использование сырых песчано-бентонитовых смесей сохранилось практически только в массовом производстве мелких и средних отливок в автомобилестроении, сантехническом оборудовании и т. п. Сегодня стоимость связующего для ХТС на 1 т отливок доходит до 500 USD, плата за выброс 1 т литейных отходов в Европе - до 200 евро, а смоляные связующие дают до 70% загрязнений природной среды от литейных цехов, при образовании до 5 т песчаных отходов на 1 т литья (по данным Ткаченко С.С., Кривицкий В.С., 2010). При современном процессе ЛГМ используют оборотный песок на 95%.

ЛГМ-процесс относят к разделу специальных видов литья, из которых в отечественных вузах изучается несколько, а обзорно рассматривают около десятка видов. В последних учебниках и справочниках по спецвидам литья об ЛГМ написано либо около двух страниц, либо ничего. Большинство литейщиков и машиностроителей с ним малознакомо и недооценивает возможности этого десятилетиями отработанного и одного из наиболее ресурсосберегающих процессов производства высокоточных отливок массой от 0,1 кг до нескольких тонн. Многие литейщики, даже с солидным опытом, после ознакомления с успешно работающим литейным цехом ЛГМ, или получения об этом технической информации, задают вопрос: "Если эта технология более прогрессивна, менее затратна, используемое технологическое оборудование - преимущественно отечественное и весьма несложное, а модель формуется просто в сухом песке, то почему ЛГМ так медленно распространяется в отечественной производственной практике?». Имеются случаи, когда увидев на производстве кажущуюся простоту ЛГМ, литейщики пытаются повторить технологию и, не получив положительного результата, начинают винить не свое незнание сути происходящих в нем явлений, а способ литья (по сути, об этом и пишется в первой вышеупомянутой статье).

По нашему мнению, так происходит из-за неочевидности для производственников сути протекающих одновременно за очень короткое время физико-химических, тепловых, газо-гидравлических процессов в вакуумируемой песчаной форме. Понимание и регулирование взаимосвязанных перечисленных процессов составляет основу технологии получения качественных, точных и недорогих отливок этим способом, преимущество которого в отечественных условиях особенно заметно при мелкосерийном производстве отливок в указанном широком интервале по массе, охватывающем до половины номенклатуры всех отливок. Распространение ЛГМ невольно сопровождается преодолением литейщиками стереотипа о том, что металл можно лить не только в пустоту полости литейной формы, но и на модель из пенополистирола (ППС) в песке этой формы, что является отличительной особенностью и выделяет этот способ литья среди всех других, количество которых перевалило за сотню. Вероятно, не случайно со времени создания способа получения ППС еще в 1928г. и начала его промышленного производства с 1937 г. первым обошел этот стереотип и подал патент на ЛГМ не литейщик, а архитектор (Г. Шроер в 1956 г.).

Структура модели из ППС представляет твердую пену типичную для ячеистых пластмасс (пенопластмасс или поро- и пенопластов). Обычно такую пену получают либо спеканием тонких стенок вспениваемых гранул, либо газонасыщением и экструзией пенопластмассы. Со временем ячейки пены полностью заполняет воздух, и при увеличении в десятки раз в микроскопе на срезе эта пена выглядит как воздух, упакованный в шарики или многогранники с едва различимыми тонкими стенками. Тогда по аналогии с традиционной литейной формой видно, что при ЛГМ расплав металла также льют в пустоту полости литейной формы, однако в пустоту, упакованную в мелкие шарики ППС, составляющие модель.

Приравнивать в какой-то мере пеномодель к пустоте позволяет ее низкая плотность и малый расход ППС, если 1м³ ППС модели весит ~25 кг и замещается 7 т жидкого чугуна, то на 1 т отливок расходуется 25/7=3,6 кг полимера при стоимости 1 кг импортного ППС в гранулах до ~40 грн. Тогда как в формах из смоляных ХТС при потреблении 3% связующего, стоимость которого уже достигает ~$500 на тонну литья, например, на 3 т песчаной смеси на 1 т литья, расход составит 0,03x3000=90 кг полимерного связующего. Это в 90/3,6=25 раз больше с соответственным увеличением газовыделений из формы и отходов отработанной смеси (на 1 т отливок вагонной балки идет 8 т песчаной смеси), что дает ресурсосберегающие и экологические преимущества ЛГМ вместе с тем, что при вакуумировании формы почти все продукты разложения полимеров откачиваются вакуум-насосом из формы в процессе заливки - затвердевания отливки и идут на очистку дожиганием. Традиционные формы дымят в помещении, как ни вентилируй рабочую зону цеха, а утилизация и складирование от них отходов скоро достигнет 15…20% себестоимости продукции.

Для получения отливок стабильно высокого качества по способу ЛГМ наиболее важным является понимание физики явлений, протекающих в процессе заливки формы без связующего, поскольку он базируется на поддержании газодинамического баланса (ГБ) в заливаемой литейной форме. Качество выпускаемых отливок напрямую зависит от понимания всеми исполнителями, от технологов до рабочих, почему сухой песок не обваливается в полости формы, когда модель разрушается, и какие факторы на это влияют. Рассмотрим составляющие этого ГБ на примере формы с сифонной литниковой системой.

Литейную форму с моделями и сифонной литниковой системой, показанными на рис. 1, во время заливки можно представить как два сообщающихся сосуда. В первый - открытый сверху стояк, заливают металл, а во второй в виде модели отливки, заполняющей рабочую полость формы, металл перетекает, замещая модель. Баланс давления при заполненном металлом стояке в двух сосудах состоит в том, что на одинаковом уровне поддерживается одинаковое давление. В стояке оно состоит из (главным образом) металлостатического давления в сумме с атмосферным, а в форме – из давления металла в сумме с давлением газов от газификации модели. Это давление газов по данным проф. Шинского О. И. может на 24% превышать атмосферное давление и достигать 124 кПа [1]. При этом газы от газификации металлом ППС как бы распирают песчаную форму изнутри ее полости. В толще песка, герметично упакованного в контейнере и покрытого пленкой, обычно поддерживают давление равное 50…60 кПа путем подключения формы вакуумному насосу. И перепад указанных значений давления (газов как продуктов газификации ППС) на поверхности освобождаемой от модели полости формы над зеркалом металла и в толще песка (разрежение воздуха) как раз и создает то прессующее песок давление, которое удерживает его от обрушения [2]. Аналогичный баланс давления поддерживается при ЛГМ с другими типами литниковой системы. А также он составляет принцип упрочнения формы при ВПФ (V-Process) с тем отличием, что там оба рассматриваемых сосуда (стояк и литейную полость формы) сообщены с атмосферой, причем, крайне важно, что сечение открытых выпоров при ВПФ в 2…4 раза превышает сечение стояка [3].

Рисунок 1. Пример использования сифонной литниковой системы для двух моделей корпусов насосов, установленных в контейнере при формовке, и модели задвижки.

Технологическая стабильность ЛГМ-процесса поддерживается саморегулирующими свойствами вакуумируемой формы во время заливки металла. Саморегулирование (самобалансирование) формозаполнения металлом состоит в том, что, если при заливке металл слишком быстро газифицирует модель (или модель имеет плотность выше 25…30 кг/м³), то излишний рост давления этих газов тормозит течение металла по литниковой системе внутрь полости формы, что ведет к уменьшению темпа газифицирования. А если газифицирование слабое (или модель имеет плотность ниже 25 кг/м³), то вакуум формы, проникая в литейную полость, подсасывает заливаемый металл, стимулируя газовыделения от деструкции модели. Последнее явление используют при сочетании ЛГМ с литьем вакуумным всасыванием алюминиевых сплавов с нижним подводом металла в форму. В этом случае применяемого разрежения в песке формы (с давлением до 20 кПа) достаточно как для удержания песка, так и для подъема металла на высоту почти до 2 м.

Если заливка алюминия дает до 80% жидкой фазы пенополистирола, которая путем впитывания в поверхностные слои (толщиной до 5…7 мм), конденсации и затвердевания герметизирует и связывает - упрочняет эти слои вакуумируемой формы (как оболочковой формы), то для поддержания ГБ достаточно небольшого расхода газа. Если заливка черных металлов идет с практически полной газификацией и более высоким давлением как жидкого металла, так и газов от модели, то ГБ создается на другом уровне с учетом меньшей герметизации формы, в т.ч. от частичной деструкции связующего покрытия модели высокотемпературным расплавом металла.  

Явление саморегулирования процесса заливки вакуумируемой формы при ЛГМ – это важное особенное свойство технологии, отсутствующее в других видах песчаной формовки (своего рода преодоление третьего стереотипа). При содействии литейщиков выполнению принципа газодинамического балансирования это свойство дает ЛГМ технологическую гибкость и устойчивость за счет того, что отклонения технологических параметров (или их погрешности) от оптимально расчетного уровня допускают наличие некоего коридора, в котором гарантировано обеспечивается получение качественной продукции.

Таким образом, отличие заливки при ЛГМ от заливки традиционных форм со связующим состоит в технологическом приеме поддержания баланса газового давления в полости формы. Суть ГБ состоит в том, что количество выделяющихся газов в каждый момент газификации модели должно создавать такое давление в освобождаемой от модели полости формы (несмотря на откачивание этих газов в песчаную среду вакуумируемой формы), что на поверхности полости формы всегда сохраняется перепад (избыток со стороны полости) газового давления, который удерживает от обрушения песок формы без связующего. При этом повышают давление газов от газификации модели такие основные факторы: повышение давления жидкого металла в постоянно заполненном стояке, скорости заливки и температуры металла, снижение величины вакуума в толще песка и газопроницаемости противопригарного покрытия модели.

Если сифонную заливку трудно осуществить, особенно при большой длине модели/отливки (более 1,5…2 м), поскольку тогда жидкому металлу необходимо преодолевать длинные пути с уменьшением скорости его течения, падением температуры и увеличением вязкости, то часто применяют комбинированные конструкции литниковых систем. В любом случае стояк во время гравитационной заливки поддерживают заполненным металлом, если такое не происходит, то обычно в полость стояка подсасывается и воздух с характерным шипящим звуком, что крайне нежелательно из-за высокой вероятности появления брака отливок. Кроме необходимости быть запертой, литниковую систему рассчитывают с учетом минимизации появления спаев, трещин, нагрева тепловых узлов и удобного их питания прибылями, местных размыва стенки формы и пригара, др. видов возможных дефектов, а также удобства отделения литниковой системы от отливки.

Газопроницаемость наносимой на модель противопригарной краски зависит от состава, плотности, толщины наносимого слоя и адгезионной стойкости. Использование водных красок предпочтительно по экологическим соображением, однако превышение их плотности выше 1,8 г/см³ часто приводит к их осыпанию после высыхания. Оптимальная толщина краски, при которой соблюдается сочетание прочности, целостности и газопроницаемости составляет 0,8...1,2 мм. На полых формах со связующим краску на поверхность полости формы обычно наносят более тонким слоем, она уменьшает размеры этой полости, не допускаются ее подтеки. При ЛГМ толщину краски нетрудно регулировать, краска не влияет на размер отливки, т.к. наносится на модель сверх размера будущей отливки. Малая газопроницаемость краски способствует торможению потока металла противодавлением газов, вплоть до «кипения» формы с последующими газовыми дефектами отливки. Декстрин, используемый в ряде составов красок как связующее, при заливке выгорает, чем увеличивает газопроницаемость краски.

При формовке единичных крупных и пространственных моделей желательно использование литейных опок, конструкция которых позволяет укладывать гибкие части вакуумной системы [4], например, из металлорукава типа Р3-Ц-Х-22 У1 (ТУ 22-5570-83) на различных уровнях на расстоянии 80…100 мм от модели, что обеспечивает равномерную откачку газов деструкции, позволяет обходить холодильники, а так же укладывать элементы вакуумной системы внутри крупных песчаных «болванов» внутри полостей моделей для отливок трубчатого типа. Примеры подобных крупных отливок и моделей показаны на рис. 2., примеры мелких моделей, собранных в «разветвленные блоки, показаны на рис. 3. Для увеличения теплопоглощения и испаряемости в ППС могут добавлять красители, что позволяет единичные модели изготовлять из цветного блочного ППС с повышенной прочностью и плотностью. Для отливок из низкоуглеродистых сталей применяют пенопласты с атомами кислорода в их молекулярной структуре для газификации с окислением углерода без науглераживания металла, при этом материале моделей обычно корректируют условия поддержания ГБ процесса литья.

При создании (в развитие концепции ЛГМ-процесса) способов литья по разовым ледяным моделям (ЛЛМ) [5], тающим в полости формы и впитывающимся в сыпучий песок для опустошения этой полости перед заливкой металла, также использовали принципом ГБ. Для этого в полость формы (на поверхность тающей модели) через трубчатый выпор в разных вариантах (аналогично газам от газификации модели) подавали: атмосферное давление, его сочетание с гидростатическим давлением модельной жидкости, давление нагретой до кипения водной композиции для расплавления модели, а также поток горячих газов. По мере необходимости (в большинстве случаев) форму вакуумировали. Следовательно, кроме ГБ от газового давления (как при ЛГМ), применяли динамический баланс - превышение давления жидкости со стороны полости формы над давлением газа в песчаной среде или превышение давления двухфазного состава (жидкости с газом) со стороны полости формы в сочетании с пониженным давлением в песчаной среде вакуумируемой формы. Применение в составе жидкости связующего (жидкого стекла, декстрина и др.) и его осаждение в поверхностном слое (по известным закономерностям фильтрации, адсорбции) давало связанный песчаный слой, затвердеванием которого получали оболочковую форму по способу, в чем-то подобному литью алюминия при ЛГМ. Впитывание такой жидкости идет по пути наименьшего сопротивления в наиболее проницаемые поры с закупоркой их связующим (как элемент саморегулирования).

Таким образом, в статье описаны особенности технологии ЛГМ, понимание которых будет способствовать преодолению технологических стереотипов при переходе от форм из песчаных смесей со связующим к упрочнению форм действием ГБ. При соблюдении этих особенностей, как показывает отечественная практика, для многих отливок в цехах ЛГМ уровень брака снижается до 2%. В развитие концепции поддержания ГБ в форме из песка без связующего в процессе замещении газифицируемой модели расплавленным металлом сегодня создаются новые ресурсосберегающие технологии литья.

  Рисунок 2. Примеры отливки муфеля печи, модели корпуса червячного редуктора и моделей других стальных отливок, в частности, отливок деталей МНЛЗ весом 1…5 т (последние три фото).

Таким образом, в статье описаны особенности технологии ЛГМ, понимание которых будет способствовать преодолению технологических стереотипов при переходе от форм из песчаных смесей со связующим к упрочнению форм действием ГБ. При соблюдении этих особенностей, как показывает отечественная практика, для многих отливок в цехах ЛГМ уровень брака снижается до 2%. В развитие концепции поддержания ГБ в форме из песка без связующего в процессе замещении газифицируемой модели расплавленным металлом сегодня создаются новые ресурсосберегающие технологии литья.

Рисунок 3. Примеры моделей мелких отливок из последних работ в институте ФТИМС НАНУ.

Литература: