Ресусоэффективные способы вентиляции при выжигании или газифицировании пенополистирольной модели в вакуумируемой песчаной форме

Процесс литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) из пенополистирола (ППС) по точности отливок близок к литью по выплавляемым моделям, а по экономичности сравним или превосходит литье в сырые песчаные формы. Однако науглероживание нержавеющих и низкоуглеродистых сталей, а также повышенное давление продуктов газификации модели в полости формы нередко вызывают дефекты, в частности, в отливках и из указанных сплавов и тонкостенных, ограничивая применение ЛГМ. Как удалить ППС-модель при ЛГМ (хотя бы частично) в вакуумируемой форме и понизить давление газов в полости формы?

Для ответа на поставленный вопрос предложено рассматривать такую форму как пылесос, который, упрочнив вакуумом песчаные стенки вокруг модели, способен «всосать» в поры песка материал модели в жидком или газообразном виде. Если в модели выполнить каналы, и они будут примыкать к поверхности формы и завершаться вентами, не пропускающими песок, то по ним можно откачивать газы при заливке металла. А венты можно изготовить из легкоудаляемого материала, в частности, газопроницаемой ткани, ППС (пат. 81013 UA), например, заодно с моделью по фигурной поверхности модели.

Если газы отсасывать при выжигании модели в вакуумируемой форме до заливки (что впервые рассматривается автором), то венты рекомендуется выполнить в виде стержней с высокой газопроницаемостью (перфорированных), примыкающих снаружи к поверхности модели. Каналы в модели выполняют прожиганием проволокой из нихрома, или механической деструкцией (пат. 91224 UA, полное описание указанных в статье патентов можно найти по номеру пат. на сайте http://base.uipv.org/searchINV/), или из трубок из ППС или полипропилена (пат. 80656 UA). Так создают направленную пористость модели с вентами в тех местах, куда откачивают газы газифицируемой модели по каналам, сообщенным с заливаемым металлом или факелом горелки.

На рис. 1 показаны модели 1, с каналом 2 в виде трубки или отверстия, закрытого вентами 3, стояк 4 выполнен (в варианте) с полостью 5. На рис. 2 показаны приставная к модели 1 вента 2, канал-выпор 3, полости питателя 4 и стояка 5. Каналы в виде отверстия с вентами могут выполнять конусными при изготовлении модели в пресс-форме с конусной вставкой. Разовые модели выполняют из ППС спеканием гранул ППС в пресс-форме. Возможно изготовление моделей изо льда замораживанием водной композиции в пресс-форме. Затем вентиляционные каналы освобождают от формирующих вставок. Смыкание двух каналов показано на рис. 2, а тонкая фильтровальная бумага, или х/б ткань в виде венты 2 наклеена на дно канала 3 модели 1, или вента 2 является приставленным к каналу 3 газопроницаемым песчаным стержнем из смеси со связующим, а канал 4 примыкает к каналу 3 и к каналу 5 после приклеивания к модели 1 вертикального стояка. При заливке металлом по ЛГМ-процессу с одной стороны, полости каналов сообщены с атмосферой, что снимает избыток давления газа и подает воздух для горения, окисляя углерод, а с другой стороны, через венту металл подвергается действию вакуума формы, увеличивая скорость заполнения расплавленным металлом формы.

Рисунок 1. Конструкции моделей с каналами и вентами: 1 модель; 2 – канал в виде трубки или отверстия; 3 – вента; 4 – стояк; 5 - полость.

Рисунок 2. Конструкция модели с приставной вентой: 1 модель; 2 – вента; 3 - канал выпора; 4 – канал питателя стояк; 5 - канал стояка.

В случае (рис. 1 б) при заливке металл подвержен вакуумному всасыванию от проникновения через венты вакуума формы, что устраняет недоливы формы, особенно для тонкостенных отливок. В случае выжигания модели из полости формы перед заливкой используют поток нагретого газа вдоль канала к венте так, что над каналом стояка и выпора ставят источник тепла, например, факел горелки или поток горячего воздуха от строительного фена. В частности, для крупных моделей и каналов ацетиленовую горелку рекомендуется постепенно опускать в канал, затруднительно было бы поддерживать пламя без интенсивного отвода продуктов горения через венту в конце канала. Пламя засасывается в канал модели и ее выжигает, а продукты деструкции модели впитываются в поры песчаной стенки полости формы и далее в вакуумную систему цеха, но частично конденсируются и укрепляют форму аналогично вакуумно-пленочной формовке.

Краска низкой газопроницаемости, перенесенная с модели на стенки формы, способствует герметизации полости формы. При выплавке ледяной модели поток по каналу воздуха из атмосферы цеха вместе с теплом песка с температурой ~20 °С плавит эту модель, освобождая полость для заливки. Вакуумом формы направляют поток теплоносителя, упрочняют песок и изолирует газы от воздуха цеха.

Пат. 80656 UA имеет 8 вариантов применения, рекомендован для лопаток ГТД с выжиганием ППС по продольному каналу вдоль модели (в течение до 1-3 мин.) непосредственно перед заливкой в вакуумируемую форму. При этом процесс выжигания нагревает форму со стороны полости (возможен также вариант прокаливания поверхностного слоя формы), не требуется перегрева металла на газификацию ППС. Короткий цикл выжигания не дает эрозии формы от потока газа и предотвращает науглероживание металла. А варианты специального подвода вакуума в дальние от питателя, порой плохо проливаемые места полости формы обеспечат повышенную способность формозаполнения, полезную для тонкостенных отливок.   

Рассмотрим еще один способ заливки формы металлом с вентиляцией полости формы, отталкиваясь от известного изобретения-прототипа (пат. 67906 UA) с интерпретацией его для литья тонкостенных отливок, при котором газовые эффекты чаще всего могут привести к порокам отливок. Согласно прототипу, выполнением в модели и форме при ЛГМ (Full Mold & Lost Foam) выпоров с каналом, который пересекает струя заливаемого металла, достигают того, что первый заливаемый металл с верхним подводом прожигает канал в модели и создает свободный выход газов из формы от зеркала металла. Это повышает качество отливок за счет оптимизации деструкции пенополистирола. Вентилирование зазора «металл-модель» с начала и до конца заливки, отвод газов при деструкции модели и их сжигание на воздухе с образованием углекислого газа и паров воды снижает парциальное давление углерода в газовой фазе, уменьшает насыщение им расплава при сохранении скорости подъема металла в форме. Заливка выполняется без избыточного давления газов в полости формы и опасности выплеска металла.

В развитие этого способа ЛГМ со средствами вентиляции песчаной формы – достаточно сложной системой каналов в разовой модели и выпоров, а также с дожиганием выходящих из формы газов предложено описанное ниже техническое решение, упрощающее систему вентиляции применительно к легковесным отливкам (рис. 3). Оно предназначено для получения некрупных тонкостенных отливок типа лопастей (рис. 3 в), лопаток ГТД с питающими верхними прибылями при минимизации литниковой системы с целью металлосбережения и упрощения конструкции системы вентиляции.

Предложена схема заливки металла (рис. 3 а, б) в полость 1 открытой прибыли с каналом 2, но не открытой струей металла, а через дозирующую воронку 3. Полость 1 может быть заполненной газифицируемой моделью или быть частью полой оболочковой формы.

Рисунок 3. Схемы заливки через приставную воронку (а, б) и пример отливки лопасти (в).

В любом случае канал 2 (например, в виде борозды на стенке формы или воронки) играет роль выпора и обеспечивает вентиляцию струи и зеркала металла в полости формы. Воронка 3 может быть выполнена из деталей шамотного печного или стопорного припаса и использоваться многократно. Возможен вариант, при котором конце заливки формы воронку могут извлекать и переставлять на другую аналогичную открытую прибыль, а в прибыль доливать металл. При ЛГМ воронка, нагретая выше 200-300 °С, проплавит пенополистирольную модель и канал 2 (рис. 3 а) и обеспечит вентиляцию формы. Канал 2 можно выполнить в стенке воронки (рис. 3 б), например, изготовив ее из формовочной смеси.

По ободу на торце открытой прибыли во избежание поломки оболочковой формы можно устанавливать проволочный каркас или решетку, на которые устанавливать воронку, с этим каркасом ее можно переставлять на другое отверстие. Если в одном контейнере выполнена многоместная форма с несколькими отверстиями под заливку и засыпана песком с общим контрладом, то, переставляя одну шамотную воронку можно залить все полости. Воронка обеспечивает функцию дозатора металла и выпора, экономя металл на литниковой системе и обязательных для вентиляции выпорах, согласно указанному прототипу. Также упрощается изготовление оболочковой формы (без стояков, питателей, трубчатых выпоров), например, длинномерной лопасти с обеспечением вентиляции, как при литье по способам Full Mold & Lost Foam, так и в полые формы из смеси со связующим или оболочковые. Такой способ вентиляции может быть полезен и для кокилей.

Предложенный способ литья за счет «укорочения» литниковой системы обеспечивает снижение потерь тепла металла на ее стенках и его перегрева в печи, повторное использование нагретой приставной воронки также даст «экономию» тепла металла с учетом возможности доливки в открытую прибыль. Съемные воронки используют при серийном литье алюминия по ЛГМ-процессу в сочетании с изостатическим прессованием [1]. Однако такой способ заливки с «обязательной» вентиляцией позволяет пропустить избыток газов встык с нагретой металлом воронкой (или по каналу в ней) вблизи струи металла и зажечь их без попадания в воздух цеха не окисленных продуктов деструкции модели. Воронка также служит экраном от случайных выплесков металла.

Описанные способы расширяют возможности ЛГМ для тонкостенного литья, обладают ресурсоэффективностью с элементами металлосбережения, энергосбережения на снижении перегрева металла, экономии формовочных материалов, вентиляции формы и дожигания газа, снижающего загрязнение воздуха цеха.

Литература:

1. Дорошенко В. С. Автоматизация изостатического прессования затвердевающей отливки при ЛГМ // Процессы литья. – 2016. - №1. – С. 33 - 37.