Влияние гранулометрического состава формовочных песков на качество отливок. Вакуумно-пленочная формовка.

Статьи от автора: Феклин Н.Д.

Все более высокие требования, предъявляемые к качеству выпускаемой литейной продукции, диктуют условия для всестороннего анализа составляющих производства - от подготовки расплава, способов формовки, режимов производства, до используемых расходных материалов. Влияние любого из этих факторов может явиться причиной низкого качества литья, либо окончательного брака. Как правило, не соответствующее применение всего лишь одного из составляющих процесса производства, приводит к разбалансировке всех остальных и его устранение, в большинстве случаев, позволяет сбалансировать систему производства в целом.

Предлагаю рассмотреть и проанализировать влияние гранулометрического состава формовочных оливиновых песков на качество отливок «Плита дробящая» (Рис.1), отливаемых из стали 110Г13Л.

Рис.1 Плита дробящая.

Как известно, при изготовлении крупных литейных форм при вакуумно-пленочной формовке (ВПФ), для поддержания равномерного разряжения в теле формы, в процессе всего производства, используются пески более крупных фракций, нежели для мелких и средних форм. Более мелкий размер формовочного песка позволяет получать более качественную поверхность отливок, но его применение для крупных форм проблематично. В крупных формах чистота поверхности достигается за счет создания более толстого слоя антипригарной краски (до 0.3мм и более).

Рекомендуемый гранулометрический состав оливиновых песков.

0.05мм - 0.4%

0.065мм - 1.6%

0.1мм - 24%

0.16мм - 46.8%

0.2мм - 25%

0.27мм - 1.8%

------------ 0.4%

В представленном фракционном составе формовочного песка (п.1), основными размерами частиц являются 0.1мм, 0.16мм и 0.2мм. Суммарный процент их в общем объеме составляет 95.8%. Нежелательные примеси (особенно 0.05мм и менее), негативно влияющие на форму составляют не более 0.4%. При уплотнении с помощью вибрации такого (однородного) песка, происходит образование плотной пористой структуры (Рис.2), позволяющей поддерживать в форме равномерный вакуум, в процессе всего производства отливок.

Рис.2 Рекомендуемый гранулометрический состав песка в форме (п.1).

Что же будет происходить в случае использования гранулометрического состава оливиновых песков не соответствующих требованиям литейной технологии?

Предоставляю результаты проведения опытных работ по производству отливок «Плита дробящая» с использованием двух произвольно взятых фракционных составов оливиновых песков (формы заливались под наклоном 3 градуса).

Гранулометрический состав использованных оливиновых песков:

0.63мм - 0.36% 3. 0.63мм - 1.8%

0.4мм - 1.56% 0.4мм - 9.6%

0.315мм - 3.56% 0.315мм - 40.3%

0.2мм - 11.96% 0.2мм - 25.4%

0.16мм - 15.02% 0.16мм - 12.2%

0.1мм - 20.16% 0.1мм - 4.0%

0.063мм – 23.02% 0.063мм - 1.1%

0.05мм - 7.78% 0.05мм - 1.0%

Тазик (+глинистая составляющая) - 16.58% Т+Гл.сост. - 4.6%

Опытные работы с использованием мелких размеров формовочного песка (п.2), где его пылевидная часть составляет 16.58 %, привели к образованию почти однородной структуры формы, практически, не поддающейся уплотнению с сетью слабо развитых микропор (Рис.3).

Рис.3 Рассредоточение мелкой фракции песка в форме (п.2).

Реальные сечения каналов микропор не позволяют поддерживать необходимый объем отсоса газов для поддержания разряжения в процессе ее заливки металлом. Увеличение разряжения в форме до 0.7-0.8 атмосфер, прочность (твердость) формы не повысили. Существующая консистенция тела формы, представляет собой сплошную, плохо газопроницаемую структуру слабо связанных между собой пылевидных частиц. Такая форма обладает высокой плотностью и низкой твердостью. При выгорании облицовочной пленки, оголяется свод полости формы, где сконцентрированы самые мелкие частицы формовочного состава. В процессе движения металла внутри формы происходит контакт оголенной ее верхней части с расплавом, что приводит к вымыванию, отслоению и опусканию частей ее поверхностного слоя с образованием характерных движущему потоку металла, углублений (дефектов) (Рис.4; Рис.5).

Рис.4; Рис.5 Размыв поверхностного слоя отливки.

Глубина (высота) таких дефектов зависит от длительности, вида и силы воздействия потока металла на свод и стенки полости формы. Уплотнение такого состава песка вибрацией, при использовании стандартных характеристик вибрации (амплитуда, виброскорость, частота), не приводит к каким либо положительным результатам по упрочнению формы. Отдельное внимание хочется обратить на используемый состав антипригарной краски. Создание прочного и равномерного слоя антипригарного покрытия рабочей части формы, в виде толстой корки (0.3мм и более), снижают риск размыва ее поверхности.

Использование крупных фракций песка, где основными размерами его зерен являются 0.16мм, 0.2мм, 0.315мм и 0.4мм (87.5%) в смеси с имеющейся пылевидной составляющей (п.3) в количестве 5,6% (0.05мм и меньше), привело к сегрегации (расслоению) смеси на две основные фракции (Рис.6).

Рис.6 Рассредоточение крупной фракции песка с пылью в форме (п.3).

В процессе виброуплотнения формовочного материала, пылевидная ее часть через поры между крупными зернами песка опустилась вниз формы, образовав тонкий, практически не газопроницаемый, слой слабо связанных между собой частиц с вкраплением ее крупных зерен. В верхней части формы под действием вибрации сформировался (уплотнился) основной слой крупных зерен песка, обладающий развитой системой каналов (зазоров) между ними. Верхняя часть формы представляет собой прочный и твердый слой, при этом, существующая пропускная способность вакуумных составляющих формы (клапанов, фильтров), в сравнении с пропускной способностью образовавшихся каналов, не способна поддерживать прочность формы во время ее, даже, частичной (местной) разгерметизации. В процессе заливки такой формы, аналогично формам, изготовленным на основе мелких песков (п.2), происходит вымывание (разрушение) и опускание поверхностного слоя свода полости формы (Рис.7).

Рис.7 Размыв поверхностного слоя отливки.

Отличием от предыдущего варианта является то, что при полном разрушении (вымывании) части тонкого, пылевидного слоя песка до крупных его фракций, прочность формы в этом месте резко снижается и это приводит к ее интенсивному размыву. Снижение прочности происходит за счет высвобождения каналов (зазоров) существующих между крупными зернами песка, от практически не газонепроницаемого слоя пыли. Такой процесс, чаще всего, возникает при появлении хаотического движения расплава внутри полости формы, к примеру, в местах подвода выпоров (прибылей) к отливке, где образуются встречные, сужающиеся потоки металла (Рис.8).

Рис.8 Интенсивный размыв формы в местах подсоединения выпоров.

Можно сразу оговориться, что влияние разных гранулометрических составов формовочного песка на поверхности отливок, формирующихся в полуформе низа, не значительно и, в большинстве случаев, позволяет получать качественную поверхность (Рис.9, Рис.10).

Рис.9 Качество поверхности отливки, полученной в полуформе верха.

Рис.10 Качество поверхности отливки, полученной в полуформе низа.

Результаты проведенных работ, показывают недопустимость использования произвольных гранулометрических составов формовочных песков, в виду их негативного влияния на качество отливок.

Предлагаю рассмотреть фотографию заливки формы и определить причину образования длительного (около 15 секунд) выброса металла с одного из трех выпоров. Заливка формы производилась в течение 60 секунд. Все выпора находятся на одном уровне, выполнены идентично, без каких либо отличий. Что может являться причиной такого эффекта?

Литература:

Кузнецов В.П., ДСП // Вакуум-процесс. Книга «ноу-Хау». – 1982.
Типовые решения по проектированию технологического процесса и оснастки вакуумно-пленочной формовки // Министерство тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения СССР. – 1988.

Авторы: Феклин Н.Д. Медведчук С.А.

Опубликовано: Литьё Украины, 2019, №11, с. 6-10