Градиентный механизм упрочнения песчаной смеси песчаных форм в природоподобных технологиях литейного производства

Ключевые слова: градиент, давление, температура, концентрация, литье по газифицируемым моделям, литье по ледяным моделям, песчаная форма, криотехнология, сухая сыпучая смесь.

Термин «градиент» впервые появился в метеорологии, в математику был введён Максвеллом в 1873 г., и в применении для технических дисциплин означает изменение значения некоторой величины на единицу расстояния в заданном направлении. Например, градиент концентрации - нарастание или уменьшение по какому-либо направлению концентрации растворённого вещества, градиент температуры - изменение по какому-то направлению температуры среды, градиент давления - изменение давления, отнесенное к единице длины.

Многим литейным и, в частности, формовочным технологиям свойственно применение целенаправленно заданных [1] или имманентно присущих характеристик процессов и явлений, обладающих некоторой направленностью.

В технологии литейной песчаной формы такую направленность можно характеризовать градиентами давления, температуры и концентрации [2], которые создают, прежде всего, важнейшее свойство песчаной формы - прочность песчаной формовочной смеси или создают условия (запускают механизм) образования прочности сыпучей песчаной смеси путем физического на нее воздействия. Создание некоторого градиента подобно заводу пружины в часах для вращения стрелок. При этом завести можно несколько пружин, как и заданную технологическую операцию можно выполнить посредством создания не одного градиента.

А также действие, исполненное расходованием завода пружины, может запускать следующее действие, как и уменьшение одного градиента может приводить к созданию или усилению следующего. В настоящей статье предложен обзор формовочных процессов, основанных на создании и поддержании градиентных характеристик, как необходимом условии производственного использования этих процессов, и аналогичные принципы использования градиентов в операциях формовки можно применить для создания новых процессов.

Например, вакуумирование песка без связующего при вакуумно-пленочной формовке (ВПФ, V-process) и наиболее распространенном варианте литья по газифицируемым моделям (ЛГМ, Lost Foam Casting), применение замороженной формы, формовки по ледяным моделям и фильтрационной формовки характеризуются наличием одного или боле градиента из вышеуказанных при образовании прочности формы. В частности, формированию полей газового давления (разрежения), температуры и концентрации технологической примеси в песчаной среде формы (продуктов деструкции синтетической пленки при ВПФ или газифицируемой модели при ЛГМ) присуще сопротивление этой пористой среды распространению указанных полей.

При этом происходит убывание этих физических (или технологических) величин по мере удаления от несущего их источника, будь он в толще или на поверхности формы. Такая мера изменения характеристики технологического материала при перемещении на единицу длины характеризуется градиентом, вектор которого, как правило, совпадает с направлением максимальной интенсивности изменения.

О важности регулирования такой меры свидетельствуют следующие примеры. Если градиент газового давления в поверхностном слое песка у полости формы при ВПФ или ЛГМ снизится до нуля, то песок начнет осыпаться, создавая дефект в отливке. Если при ЛГМ в верхней части формы градиент этот невысокий, то вакуум формы не успевает откачать продукты деструкции модели, что создает борозды на отливке, часто сопровождается повышением ее газонасыщения и пористостью.

Если градиент слишком высок из-за высокого разрежения в форме, то это нередко вызывает механический пригар на поверхности отливки.

Обычно способ производства, состоящий из перечня операций, носит называние по признаку, отличающему его от других способов. Рассмотрим ряд выполненных нами исследований, приведших к пониманию ключевой роли градиентов давления, температуры и концентрации в ряде способов формовки преимущественно с физическим упрочнением песчаной формы, группу которых можно назвать градиентной формовкой.

С учетом накопленных знаний в продолжительном цикле исследований в области теории и технологии песчаной формовки, в некотором роде исходной для нас работой для анализа градиентных характеристик стали исследования регулируемого теплоотвода в системе «отливка – форма» [3].  Схематически это показано в верхней части рис. 1. Эти исследования создали основу для разработки способов получения

Рисунок 1. Взаимосвязь исследований и разработок по технологии литейной формы с созданием градиентных характеристик в материале литейной формы, а также приведшим к созданию новых способов и использованию новых материалов.

отливок с заданными структурой и свойствами путем управления интенсивностью теплоотвода в литейной форме [4]. В них рассмотрены составляющие теплового потока, а также модель фильтрационных явлений при пропускании газовых и жидкостных хладагентов, а также расплава ледяной модели сквозь поры формы. Наряду с использованием сыпучего песка в качестве среды конвективного теплообмена [3, 4], задействовали опыт охлаждения замороженной формы [5].

Формовка с использованием сыпучего песка известна замечательной особенностью - низкой трудоемкостью засыпки-уплотнения и регенерации песка. В частности, на позиции формовки линий ЛГМ обычно присутствует один рабочий, и при этом, кроме вибрации 1,5-2 минуты, не используют других силовых воздействий. Применяют вибростол с оборудованием, аналогичным для линий переработки сыпучих стройматериалов. Отметим, что формовочные линии традиционных видов формовки песчаными смесями со связующим, оснащенные капиталоемкими машинами встряхивания или прессования в странах СНГ практически не выпускаются, а закупается дорогое импортное оборудование. В свою очередь, в применяемые в процессах формовки химически твердеющие смеси с неорганическими связующими, как правило, имеют низкие возможности для регенерации, а с органическими связующими - ухудшают экологию производства.

Простота формовки сыпучим песком с многократным его оборотом основана на том, что при засыпании в форму и виброуплотнении он подобен «псевдожидкости» вокруг модели. Вибрация формы снижает внутреннее трение, и благодаря силе тяжести создает градиент давления в песке, укладывает песчинки с минимальным зазором соответственно их крупности и конфигурации, в результате повышая плотность и внутреннее трение покоя песка по сравнению с насыпным состоянием.  

Технологические возможности вакуумируемой песчаной формы схематично изображены на рис. 2 в виде схемы формовочно-фильтровальных возможностей, как сочетания действия вакуума в песчаной среде с реализацией потенциала ее сыпучести.

На схеме указаны возможность регулирования прочности песчаного изделия путем изменения характеристик градиентного поля газового разрежения в толще песка [6], использования формы в герметичном контейнере для создания в нем избыточного давления [7], а также прокачивания газа или жидкости сквозь поры песка - для ускорения охлаждения отливок [3, 4].

Подвижность зерен песка использовали для быстрой формовки сложнофасонных и каркасных моделей [8], а также охлаждения отливок в псевдоожиженном слое [9] и быстрого извлечения горячей отливки из формы для ее термообработки.

В работе [10] описан пример изотермической закалки отливок из чугуна с шаровидным графитом путем извлечения отливок из сыпучего песка формы при температуре аустенитного состояния чугуна. Затем отливки закаливают, например, путем кратковременного окунания в воду или контактом с водо-воздушной смесью (аэрозолем) до заданной температуры.

При этом в отливках могут получать мартенситную структуру, либо помещать их обратно в форму с нагреваемым песком и изотермически выдерживать для получения аусферритной структуры (бескарбидного бейнита) чугуна.

Такой литейный процесс со встроенной в него термообработкой путем изменения температурного градиента в среде вокруг отливки позволяет регулировать скорость ее охлаждения по программе этой обработки, минуя область перлитного превращения в железоуглеродистых сплавах, что показано на примере чугуна. Этот процесс [10] разработан для литейного цеха ЛГМ с использованием герметичных контейнерных опок и выглядит как вариант «двойной» формовки или «прерванного» остывания отливки в форме.

Сначала формуют пенополистирольную модель, а затем аналогично формуют в нагретый песок отливку, перед этим извлеченную, для «ухода» от традиционной ферритной и перлитной структуры [11] к структуре с повышенными свойствами, причем длительность нового варианта охлаждения часто короче традиционного.

Стремление использовать выгодные свойства сыпучего песка привело к патентованию и исследованию новых сыпучих смесей не только из сухого песка, но и песка со связующим (преимущественно неорганическим) в виде сыпучих формовочных смесей (СФС). Эти смеси использовали для фильтрационной формовки по ледяным моделям [12], сочетая указанную сыпучесть смесей с операциями фильтрации их пористой сухой среды расплавом удаляемой из формы модели и отверждения оболочкового слоя смеси этим фильтрующимся расплавом [13].

Иллюстрации к теме литья по ледяным моделям представлены на рис. 3 в виде коллажа [14].

Для формовки по ледяным моделям применили сочетание следующих технологических решений или возможностей: 1) фильтрацию жидкости сквозь СФС, ведущую к отверждению этой смеси, 2) разовые модели изо льда с 3) удалением таких моделей в толщу окружающей СФС и использованием 4) преимуществ сыпучести последней.

Это позволило сформировать инновационные основы, на базе которых можно создавать новые многообещающие технологии, примеры которых иллюстрирует нижняя половина схемы на рис. 1. Как конструктивный материал разовых моделей лед отвечает экологической идее применения саморазрушающихся после выполнения своих функций материалов, приближая процесс формовки к природоподобному обмену веществ с окружающей средой.

Агрегатные переходы воды - из жидкого в твердое при замораживании модели, опять в жидкое (таяние модели при освобождении полости литейной формы), а затем испарение при сушке увлажненной формы во многом наследуют кругооборот воды в природе. Для этих криопроцессов с ледяными моделями большая часть воды и сухой песок (СФС) формы до 90 % могут использоваться многократно, включая несложную регенерацию.

Рисунок 3. Примеры моделей, форм и отливок из технологии литья по ледяным моделям [14].

Принцип фильтрационной формовки описан в работе[15] и в ряде вариантов показан в работе [13]. Он заключается в фильтрации жидким реагентом СФС, которая содержит второй реагент, составляющий (вариант І) или инициирующий (вариант ІІ) систему «связующее – отвердитель» связующей композиции, отверждающей слой СФС формы, в котором произошла химическая реакция этих реагентов.

В варианте І реагенты связующей композиции содержатся: один - в модели, второй – в СФС, а в варианте ІІ – оба содержатся в СФС в сухом виде и реагируют только присмачивании их фильтратом - расплавом ледяной модели [13].

Для плавления модели внутри песчаной формы использовали нагрев модели теплоносителями с различными теплофизическими свойствами, при применении которых возникает температурный градиент.

Фильтрацию осуществляли с применением давления на фильтрующуюся жидкость и (или) вакуумирования пористой песчаной среды формы при создании градиента давления в толще смеси формы, а также применяли наименее затратный способ – капиллярный транспорт [16, 17], связанный с градиентом капиллярного давления.

А наглядный пример действия капиллярных сил можно наблюдать при раскапывании сухого песка на пляже у водоема до уровня влажного песка, в зависимости от размеров зерен песка вода поднимается на высоту 300-600 мм [18]. Прилегающие друг к другу песчинки образуют множество капилляров, и вода поднимается по стенкам капилляров за счет электромолекулярных сил. Чем уже капилляры (мельче зерна песка), тем на большую высоту она поднимается.

Для описания потока влаги j в песчаной среде используется закон Фика:

j = -D gradC,

где коэффициент D имеет смысл суммарной массопроводности реального капиллярно-пористого материала, С - массосодержание рассматриваемого компонента (вода, лед, пар) в порах материала литейной формы [2, 13, 19].

Движущей силой влагопереноса расплава модели по этому закону является градиент влагосодержания. Обосновывая универсальность такого подхода, в этот закон вводят поправки на градиент температур (термодиффузия) и градиент избыточного давления, учитывающий молярный перенос.

Для формовки по ледяным моделям самопроизвольную капиллярную фильтрацию сквозь СФС обеспечить довольно просто, поскольку достаточно увлажнения на незначительную глубину (по сравнению с работой [15] при литье по воскообразной модели) для пропитки оболочкового слоя [20]. Практика отработки технологии показала увлажнение и отверждение песчаной оболочки (с кристаллогидратами) достаточной прочности толщиной 4 – 25 мм, в зависимости от массы ледяной модели.

Чем массивнее ледяная модель, тем больше масса ее расплава, фильтрация которого создает более толстую оболочку, а лимитирующей операцией по продолжительности является плавление модели в форме из СФС. При этом, чем тоньше оболочка требуется для литья, тем больше СФС без увлажнения переходит для повторного использования при получении следующей формы.

Для фильтрационной формовки по ледяным моделям использовали песчаные холоднотвердеющие смеси - ХТС (в сухом сыпучем состоянии) с порошковыми гидратационными вяжущими (такое название этих неорганических связующих принято в технологии строительных материалов), к классу которых относятся гипс, цемент и металлофосфаты. Упрочнение форм с гипсом и (или) цементом основано на гидратации при взаимодействии с водой (расплавом ледяной модели) их минералов с образованием кристаллогидратов, которые, срастаясь, создают связи (каркас) между песчинками СФС [21].

Формы, как правило, подсушивают, а также заливают металлом в вакуумируемой оснастке, обычно применяемой для ЛГМ [18].

Кристаллогидратные ХТС при тепловом воздействии металла отливки дегидратируются, теряя прочность [22], и способны вновь отверждаться при контакте их с водой.  Такие положительные свойства и преимущества смеси, как сыпучесть и возможность уплотнения вибрацией, легкость регенерации, наличие неорганического связующего, изначально полученного обжигом минералов и отверждаемого при взаимодействии с водой, что способствует его невысокой стоимости и экологической безопасности, применили для создания новых сыпучих формовочных смесей (рис. 4).  

Рисунок 4. Технологические возможности сыпучих смесей с гидратационными вяжущими.

Кроме смесей для фильтрационной формовки по ледяным моделям [21], включая СФС из мелкодисперсных компонентов для порошковой краски, были разработаны СФС с зернистым сыпучим льдом [23] и для струйного смешивания СФС с водным аэрозолем при заполнении ими опочной оснастки [24]. Последний способ формовки позволил получать песчаные формы с дифференцированной прочностью при их послойном печатании [25]. Подвижность СФС с регулируемым уровнем вакуумирования позволила создать способ 3D-деформирования смеси при получении песчаного фасонного изделия [6].

Таким образом, в обзоре описан ряд процессов песчаной формовки, которые включают операции и явления, обладающие некоторой направленностью и описываемые градиентами давления, температуры и концентрации. Эти процессы разработаны на основе опыта литья в формы преимущественно с физическим способом упрочнения, а также с использованием криотехнологии.

Их можно условно назвать градиентной формовкой, поскольку в них путем физического воздействия создают прочность песчаной формовочной смеси или запускается механизм (создаются условия) образования прочности сыпучей смеси, что принципиально схоже с природоподобными технологиями.

Актуальность и необходимость повышения конкурентности технологий литья в песчаные формы [26] требует непрерывных инноваций в этой области на основе новых возможностей в связи с увеличением использования информации для повышения производительности производства (как это обобщено термином «Индустрия 4.0» [27]), включая развитие 3D-технологий [6, 28].

В описанных примерах преимущество высокой текучести сыпучих легкорегенерируемых материалов реализовано за счет низкой трудоемкости формовки и простоте автоматизации заполнения ими оснастки с виброуплотнением. Одновременно сухая сыпучая смесь служит носителем реагентов связующей (твердеющей) композиции и является фильтруемым веществом (filterable substance) [13], отверждаемым на глубину фильтрации жидкости при химической реакции компонентов этой композиции.

Перспектива применения рассмотренных природоподобных и ресурсосберегающих технологий вполне корреспондируется с целью макроэкономической политики ускоренного перехода от сырьевой модели развития к модели инновационно-высокотехнологической.

Литература:

1. Дорошенко С.П., Шинский О.И., Дорошенко В.С. Триединый подход к формированию направленных газового, усадочного и противопригарно-прочностного режимов при литье в песчаную форму // Процессы литья. – 2007. - №3. – С. 9 – 13.
2. Дорошенко В. С., Кравченко В. П. Взаимосвязанные процессы переноса в песчаной форме при литье по одноразовым моделям // Металл и литье Украины. – 2009. - № 9. – С. 15 — 18.
3. Шинский О. И., Дорошенко В.С., Кравченко В. П. Интенсификация теплообмена отливки с дисперсным наполнителем литейной формы при применении хладагента и вынужденной конвекции // Процессы литья – 2009.- № 5 – С. 74-82.
4. Дорошенко В.С. Регулирование охлаждения отливки в вакуумируемой форме фильтрацией хладагентов и движением частиц песка // Литейное производство. - 2013. - № 10. - С. 32 - 37.
5. 5. Шинский О.И., Дорошенко В.С. Способы поддержания отрицательной температуры замороженной формы // Металл и литье Украины. - 2006.- №9-10. – С. 33 – 35.
6. Дорошенко В.С. Трехмерная формовка из сыпучих материалов // Литейное производство. - 2013. - № 4. - С. 8 - 11.
7. Дорошенко В.С. Литье по газифицируемым моделям с кристаллизацией металла под давлением // Литейное производство. – 2016. - № 1. - С. 25 - 28.
8. Дорошенко В.С. Способы получения каркасных и ячеистых литых материалов и деталей по газифицируемым моделям // Литейное производство. - 2008. - № 9. – С. 28-32.
9. Дорошенко В.С., Клименко С. И., Калюжный П. Б. Интенсификация теплоотвода при охлаждении отливок в литейной форме с сыпучим наполнителем методом его псевдоожижения // Металл и литье Украины. – 2016. - № 6. – С. 22 - 26.
10. Дорошенко В.С. О получении аусферритного чугуна из литого состояния при ЛГМ-процессе // Процессы литья. – 2017. - № 4. – С. 35 - 43.
11. Дорошенко В.С. Уйти от микроструктуры «бычий глаз» чугуна с шаровидным графитом изотермической закалкой с использованием ЛГМ // Литво. Металургія. 2017: Матеріалы XІII Міжнарод. науково-практич. конференції (23-25. 05.2016, м. Запоріжжя) / Під ред. Пономаренко О.І. – Запоріжжя. АА Тандем. - С. 44-46.
12. Дорошенко В.С. Криотехнология литья по ледяным моделям // Литейное производство. - 2013. - № 3. - С. 16 – 20.
13. Дорошенко В.С. Варианты твердения формовочных смесей при литье по ледяным моделям // Литейное производство. – 2016. - № 3. - С. 29-34.
14. Дорошенко В.С. Льодові моделі в ливарному виробництві металовиробів - технологія за методом "просто додай води" // Світогляд. – 2017. - № 1. - С. 52-59.
15. Фильтрационное формообразование гелеобразующих систем в точном литье / Л. Г. Знаменский, Б. А. Кулаков, В. К. Дубровин, С. В. Рожков // Литейное производство. - 1997. - № 4. - С. 34.
16. Doroshenko V.S., Myrzakov B.T. Materials collapsing after performing its functions, and spontaneous processes of foundry // Central-Asian Materials Science Journal. - 2016. - №7. - P. 33-38.
17. Дорошенко В. С. Интенсификация явлений проницаемости и пропитки в песчаной литейной форме // Современные материалы и технологии в металлургии и машиностроении: Тез. докл.- К. Редакция журнала «Процессы литья», 2007. – С. 72 – 76.
18. Дорошенко В. С. О системе мониторинга процесса литья по ледяным моделям // Литейное производство. - 2014. - № 5. - С. 11 - 16.
19. Дорошенко В. С., Кравченко В. П. Создание математической модели пропитки поверхностного слоя песка связующим при получении оболочковых форм // Процессы литья. –2008. – №5. – С. 67-77.
20. Дорошенко В. С. Самопроизвольные процессы, реализуемые в условиях градиентов термодинамических и физико-химических характеристик литейной формы // Металл и литье Украины – 2016. - №1. – С. 18 - 22.
21. Дорошенко В. С. Получение по ледяным моделям оболочковых форм с кристаллогидратами // Металл и литье Украины. – 2011.- №6. – С. 23 – 28.
22. Дорошенко В. С. Материалы, разрушающиеся после выполнения своих функций в формовочных процессах // Литейное производство. - 2015. - № 9. - С. 15 - 17.
23. Дорошенко В. С., Шинский В. О. Новые процессы песчаной формовки на основе взаимодействий различных дисперсных фаз // Процессы литья – 2014.- № 4. – С. 49 – 56.
24. Дорошенко В. С. Создание трехфазной дисперсной системы струйным смешиванием в процессах песчаного формообразования // Металл и литье Украины – 2015.- № 3. – С. 24 – 32.
25. Дорошенко В. С. О послойном печатании песчаной формы с дифференцированной прочностью // Литейное производство. - 2015. - № 4. - С. 19 - 25.
26. Минаев А.А. О конкурентности современных технологий литья в песчаные формы// Литейное производство. - 2007. -№3. - С. 6-12.
27. Гнатуш В. А., Дорошенко В. С. Перспективы развития рынка литья в контексте «Индустрия 4.0» // Литье Украины. - 2017. - № 6. - С. 18-21.
28. Дорошенко В. С. Примеры 3D-технологии в литейном производстве. Снижение металлоемкости отливок // Литье и металлургия. - 2016. - № 1. - С. 34 - 39.