Вспомним забытые технологии: Основы технологии производства отливок с использованием углесодержащих формовочных материалов Часть 4. Основы технологии производства отливок с использованием графитовых форм (Продолжение)

В основу настоящей публикации положен труд Сосненко М.Н. [1].

Существенным недостатком литья чугуна в графитовые формы является образование отбела на поверхности отливок, что затрудняет их механическую обработку. Для предупреждения образования отбела на поверхности отливок при выборе технологических параметров литья в графитовые формы рекомендуется:

а) повышать содержание кремния в чугуне на 0,8-1,0% (для отливок с толщиной стенок свыше 20 мм) или на 1,0-1,2% (для литья с толщиной стенок менее 20 мм), чтобы получить ту же степень графитизаций и такой же излом чугуна, какой получается при литье в песчаные формы; при этом общее содержание кремния в чугуне не должно превышать 3,5%; выбор химического состава чугуна должен обеспечивать заданную структуру отливок;

б) модифицировать чугун 75%-ным ферросилицием в количестве 0,3-0,5% от веса находящегося в ковше жидкого металла. Для уточнения необходимого для проведения модифицирования количества ферросилиция рекомендуется эмпирическая формула

Ф = 0,6 – (0,1А)³,

где А – суммарное содержание углерода и кремния в чугуне, %;

в) подогревать графитовые формы перед заливкой до 300-500ºС;

г) избегать чрезмерного перегрева чугуна при плавке; степень его перегрева должна определяться с учетом требуемой жидкотекучести и других технологических свойств сплава, обусловливаемых характером производимого литья (конфигурация, толщины стенок и др.);

д) заливать формы чугуном при оптимальной температуре, обеспечивающей требуемую жидкотекучесть и другие литейные свойства чугуна; минимальная температура заливки чугуна в графитовые формы может быть определена по эмпирической формуле

Т_зал = 1380 - 2δ_отл,

где  δ_отл – минимальная толщина стенки или отдельных мест отливки,

при этом минимальная температура заливки чугуна в графитовые формы для всех случаев практики не должна быть ниже 1300ºС;

е) извлекать отливки из графитовой формы при возможно высокой температуре (1000-800ºС) с тем, чтобы производить их окончательное охлаждение в теплоизолирующей среде (сухой кварцевый песок и т.п.); определение температуры извлечения чугунной отливки из графитовой формы может быть произведено по эмпирической формуле

Т_отл = 1050 - 5δ_отл,

где  δ_отл – средняя толщина стенки графитовой формы;

при этом минимальная температура извлечения отливки из формы для всех случаев практики не должна быть ниже 800ºС;

ж) покрывать рабочую поверхность формы огнеупорными теплоизолирующими, а также содержащими графитизирующие материалы покрытиями.

Учитывая высокую степень чистоты рабочих поверхностей графитовых форм после механической обработки, необходимо в противопригарные покрытия вводить марганцовокислый калий и другие добавки, которые увеличивают силу сцепления слоя краски с поверхностью формы.

Таким образом, рациональное сочетание рекомендуемых технологических параметров литья в графитовые формы, выбранных с учетом характера производимых отливок, дает возможность предупредить образование отбела чугуна и получать отливки с заданными физико-механическими свойствами.

При определении размеров графитовой формы необходимо соблюдать следующие минимальные параметры: расстояние от края стержня, оформляющего стояк, до полости отливки должно быть 40-80 мм (при меньшем расстоянии имеет место сильный разогрев и разгар стенки формы); длина питателей и расстояние между соседними питателями должны быть не менее 30-50 мм; расстояние от края формы до полости отливки должно быть 40-50 мм, с тем чтобы можно было предусмотреть в форме замок, препятствующий прорыву металла; высота стояка должна быть на 40-60 мм выше верхней кромки отливки, что необходимо для обеспечения гидростатического напора металла в форме.

Защитный металлический кожух необходим как для повышения долговечности, так и для удобства использования графитовой формы. Высокая механическая прочность графитированных заготовок позволяет использовать графитовые формы без применения внутренней металлической арматуры и повышающих их прочность приспособлений. Однако, учитывая малую прочность острых углов, тонких выступающих наружных частей и выполненных в графите резьбовых соединений, желательно отдельные части формы помещать в металлические литые или сварные обоймы (кожухи). При использовании литых кожухов следует иметь в виду отсутствие податливости у искусственного графита, исключающее отливку кожуха в форме, содержащей графитовую заготовку. Обоймы графитовых форм с вертикальной и горизонтальной плоскостями разъема следует снабжать приливами (полками) с отверстиями для крепления полуформ на рабочих органах машины. С целью удобного центрирования полуформ на обоймах должна монтироваться система фиксирующих штырей с направляющими втулками, имеющими с одной стороны овальные отверстия, которые дают возможность расширяться обойме при нагревании формы. На обоймах неразъемных графитовых форм следует приваривать цапфы, обеспечивающие поворот кокиля во время эксплуатации.

Способы удаления воздуха и газов из графитовых форм.

Искусственный графит обладает недостаточной для условий литья сплавов газопроницаемостью. Поэтому газы удаляются из формы через специально предусмотренную систему искусственной вентиляции. Кроме того, при выборе положения отливки в форме или типа литниковой системы обеспечиваются условия, при которых движение потока поступающего в форму металла способствовало бы удалению из нее газов. Вывод газов из графитовой формы может осуществляться также через песчаные стержни и зазоры (щели), которые всегда имеются между соприкасающимися плоскостями полуформ, между отъемными частями формы, между знаками стержней и формы. Чтобы расплавленный металл застывал при входе в зазоры (щели), они должны иметь ширину не более 0,15-0,25 мм. Для отвода газов из плотно закрываемых форм при отсутствии в них песчаных стержней предусматривают искусственную вентиляцию, которая может осуществляться следующими методами:

а) устройство на плоскости разъема одной из полуформ специальных каналов 1 глубиной 0,25-0,3 мм и шириной до 3 мм. Эти каналы должны начинаться от наружных контуров отливки и заканчиваться на крае формы. При смежном расположении нескольких плоскосткй формы газы отводят через магистральный канал 2, глубина которого не должна превышать 1 мм, а ширина 5 мм;

б) просверливание отверстий малого (до 1 мм) диаметра в местах формы, образующих газовые мешки;

в) запрессовка круглых графитовых пробок с лысками или с вырезанными канавками в специально просверленные в форме отверстия диаметром 8-12 мм. Пробки устанавливают главным образом в углублениях или местах формы, образующих выступающие части отливки (бобышки, приливы и т.д.) Количество пробок зависит от объема, а также от конфигурации полости формы и должно определяться опытным путем;

г) применение выпоров, располагаемых над наиболее высокими частями рабочей полости формы.

Для повышения долговечности графитовой формы желательно выпор 3 оформлять в песчаном сухом стержне, который устанавливается в гнезда или отверстия, предусмотренные в форме.

Устройства для удаления отливок из формы. Отсутствие у искусственного графита податливости и невысокая прочность тонких его сечений обусловливают необходимость быстрого извлечения отливки из формы, с тем чтобы процессы усадки сплава протекали вне формы. Обеспечение этого условия позволяет избежать заклинивания отливок в форме и разрушения отдельных ее частей при последующем принудительном выталкивании затвердевших отливок вместе с литниковой системой.

Для быстрого извлечения отливок и литниковой системы в графитовых формах предусматривают стальные толкатели, которые рекомендуется устанавливать в зонах возможного заклинивания отливок (глубокие впадины, межреберные пространства и т.п.). С целью предупреждения перекоса толкатели располагают в толстых стенках. Для уменьшения опасности заклинивания толкателей в гнезде формы предусматривается скользящая посадка только на некоторой глубине от рабочей поверхности формы, и вся остальная часть устанавливается по широкоходовой посадке. Во избежание приваривания стального толкателя к отливке его головка снабжается графитовой пробкой или покрывается слоем огнеупорной графитовой облицовки. Последняя наносится заподлицо с рабочей поверхностью полости формы и удерживается в пазах толкателя. Для выталкивания отливок из формы используются винтовые, рычажные, эксцентриковые и другие механизмы.

Подогрев и охлаждение графитовых форм. Как показали экспериментальные исследования, тепловой режим графитовой формы оказывает существенное влияние на процесс литья и свойства получаемых отливок. Для обеспечения высокой жидкотекучести сплава и предупреждения образования отбела чугунных отливок графитовая форма перед заливкой подогревается до определенной температуры.

Данные теплового расчета показали, что благодаря высокому коэффициенту аккумулинии тепла графитовая форма нагревается теплом кристаллизующегося в ней сплава в большей степени, чпем чугунная. Если при этом учесть, что отвод тепла графитовой и чугунной формами в окружающую их среду почти одинаков, то на основании имеющегося производственного опыта использования чугунных кокилей можно сделать вывод о необходимости подогрева графитовой формы лишь в начальный период литья. При установившемся ритме механизированного и автоматизированного производства необходимый тепловой режим легко будет поддерживаться за счет тепла заливаемого в форму расплавленного сплава.

В отличие от металлических форм, для которых подогрев свыше 500ºС является недопустимым, так как он приводит к быстрому разрушению кокиля и возрастанию брака отливок по газовым раковинам, графитовая форма обладает более высокой термической стойкостью. Для нее сильный нагрев (>500ºС) нежелателен лишь из-за наличия кожуха и ее других металлических элементов, расширение которых может снизить точность центрирования полуформ и затруднить взаимное перемещение составных частей формы или рабочих органов машины.

По этой причине при проектировании необходимо обеспечивать отвод тепла от всех нагреваемых в процессе литья металлических элементов формы и машины при полном исклчении каких-либо искусственных систем охлаждения графитовой основы формы.

Подогрев и регулирование теплового режима графитовой формы лучше всего осуществлять системой электронагревателей, для чего использовать отдельные секции элементов сопротивления (проволока и лента из нихрома, заделанные в защитную обойму), через которые пропускают ток низкого напряжения (16-24 в). Размещение секций электронагревателей должно обеспечивать равномерный прогрев всех частей графитовой формы и особенно там, где оформляются наиболее тонкие места отливок. 

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГРАФИТОВЫХ ФОРМ

Технологический процесс изготовления графитовых форм складывается из следующих последовательно выполняемых операций:

разрезание крупных графитовых заготовок с целью получения кусков, соответствующих размерам требуемых элементов формы;

механическая обработка наружных поверхностей вырезанных кусков для придания ровной, удобной для установки в кожухе поверхности;

изготовление защитного кожуха;

установка и закрепление графитовых элементов в защитном кожухе;

механическая обработка графитовой формы для получения рабочих полостей, а также гнезд для установки секций электрообогревателей и литниковых стержней;

устройство в графитовой форме системы газоотводных каналов;

сборка в форме электрообогревательного устройства;

монтаж системы толкателей.

Ниже приведен перечень практических рекомендаций по изготовлению графитовых форм.

1. Как показал опыт изготовления форм, разрезание графитовых заготовок легко осуществляется ленточными пилами, а получение рабочих полостей и фасонных очертаний формы – резцами, фрезами, сверлами и другими инструментами (в том числе и деревообрабатывающими).
2. Наиболее дешевыми, простыми и надежными в работе являются стальные сварные кожухи, к которым удобно приваривать планки для сборки формы и установки их на машину, а также центрирующих и скрепляющих полуформы устройств.
3. Для обеспечения большого числа переточек высоту защитного кожуха делают меньше или больше высоты графитовой заготовки. При сборке графитового основания более крупных форм разность этих высот устанавливают из расчета 3 мм на каждую переточку. Фиксация рабочего положения переточенного графитового основания осуществляется передвижкой вверх и последующим закреплением боковых планок. Для обеспечения точности конфигурации рабочей полости формы установочные плоскости кожуха после монтажа в нем графитовой заготовки должны быть обработаны и выверены в соответствии с плоскостями соединения формы. Учитывая большое линейное расширение материала кожуха по сравнению с помещенным в него графитом, одна из втулок штыревого устройства должна иметь овальное отверстие.
4. Полости формы, предназначенные для установки секций электронагревателей и литниковых стержней, рекомендуется обрабатывать на фрезерных, а гнезда для толкателей – на сверлильных станках.
5. Газоотводные каналы на плоскости разъема графитовых форм наносят шаберами. Сверление газоотводных каналов производится на сверлильных станках. Графитовые пробки вытачивают на токарных станках. Запиловку лысок и прорезание канавок на графитовых пробках производят напильником и ножовкой. Закрепление графитовых элементов форм и пробок в тисках и станочных крепежных приспособлениях делают лишь после укладки их в сделанные из шлифовальной шкурки или другого плотного материала, прокладки. Графитовые пробки в отверстия графитовой заготовки забивают легкими ударами молотка; при этом пользуются деревянными прокладками.
6. При сборке секций электронагревателей графитовой формы их концы выводят в отверстия кожуха. Для подключения в электросеть концы электронагревателей с помощью кабеля подсоединяют к рубильнику распределительного щита. Для безопасного обслуживания установки концы секций электронагревателей имеют асбестовую изоляцию.
7. Стальные толкатели устанавливают в зонах возможного заклинивания отливок (глубокие впадины, межреберные пространства и т.п.). Для быстрого извлечения отливки, хвостовая часть всех толкателей крепится на общей матрице, приводимой в действие рычажным, эксцентриковым или другим механизмом. Как было отмечено ранее, головки толкателей снабжаются графитовыми пробками или покрываются слоем огнеупорной графитовой краски.
   

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ГРАФИТОВЫХ ФОРМ

Искусственный графит обладает очень высокой температурой плавления, низким коэффициентом теплового расширения, большой стойкостью против термических ударов, а также против коррозионного воздействия расплавленного металла и шлаков металлургических печей. Он весьма медленно разрушается от окисления и обеспечивает высокую стойкость формы; в зависимости от веса и конфигурации отливок форма выдерживает 300-500 заливок при производстве стального и чугунного литья. Учитывая возможность переточки формы на тот же или на больший размер отливки (перетачивают форму до 20 раз), можно повысить число заливок до 6000-10000 при литье стали и чугуна, и в еще большей степени при литье цветных и особенно алюминиевых сплавов.

При длительной эксплуатации на поверхности графитовой формы образуется разгар, который ухудшает чистоту ее рабочей поверхности, образуя мелкие поры. Наиболее сильный разгар имеет место на литниковых каналах графитовой формы и особенно на поверхности зумпфа, испытывающего ударное воздействие струи заливаемого в форму расплавленного металла. Наряду с разгаром, во время эксплуатации графитовых форм имеют место обломы острых углов и тонких сечений. Разгар рабочих поверхностей графитовых элементов формы обусловливается процессами окисления и одновременного длительного воздействия расплавленного металла. Обломы острых углов являются следствием механического воздействия со стороны отливок при их извлечении из формы.

Повышение стойкости графитовых форм достигается за счет применения ряда технологических мероприятий, главнейшими из которых являются:

• 1) многократное покрытие рабочей поверхности вновь изготовленной формы раствором этилового силиката с последующим нагревом формы в печи до 150ºС для лучшего проникновения силиката в поры графитовой массы;
• 2) покрытие рабочей поверхности формы огнеупорными материалами, окрашивание и припыливание порошком бентонита или цемента; эти мероприятия предупреждают окисление графита и непосредственное его соприкосновение с расплавленным сплавом;
• 3) размещение каналов литниковой системы и элементов питания отливок в песчаных стержнях;
• 4) проведение процесса литья при соблюдении благоприятного для стойкости формы технологического режима – предварительный подогрев формы, заливка формы с минимальной для данного химического состава сплава температурой, соблюдение определенного интервала между очередными заливками сплава в форму, сокращение длительности нахождения отливок в форме;
• 5) применение форм с оптимальной конструкцией, которая характеризуется наличием стального защитного кожуха, достаточной толщиной стенок, легкостью извлечения отливок из формы.

При эксплуатации формы необходимо избегать ударов по ее рабочей поверхности. С этой целью необходимо хранить формы и графитовые вкладыши на специально отведенных стеллажах, не бросать их при транспортировке и установке на машину.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫМ ПОКРЫТИЯМ ГРАФИТОВЫХ ФОРМ

В связи с высокой степенью чистоты обработки искусственного графита используемые для покрытия рабочей поверхности графитовых форм теплоизоляционные покрытия, наряду с высокой огнеупорностью, должны быть химически нейтральны по отношению к заливаемым в полость сплавам кроме того, они должны обладать хорошей сцепляемостью с рабочей поверхностью формы и низкой теплопроводностью. С учетом этих требований в теплоизоляционные покрытия должны входить следующие материалы:

• 1) наполнители, предупреждающие непосредственное соприкосновение графитовой формы с расплавленным металлом. В качестве наполнителей для литейных красок и других покрытий в зависимости от вида сплава рекомендуются цирконовый и магнезитовый порошки, черный графит, голландская сажа, копоть ацетиленового пламени;
• 2) растворители, которые придают покрытию подвижность и удобство нанесения на рабочую поверхность формы; в качестве растворителя используют быстровысыхающие технические спирты, эфиры, керосин, а также воду;
• 3) связующие вещества, придающие прочность слою покрытия и обеспечивающие его надежное сцепление с рабочей поверхностью графитовой формы; в качестве связующих материалов в теплоизоляционных покрытиях для графитовых форм используют жидкое стекло, марганцовокислый калий, глиноземистый цемент и др.;
• 4) стабилизаторы, предупреждающие расслоение краски; в качестве стабилизаторов обычно используют огнеупорную глину, бентонит и др.

Для графитовых форм, заливаемых сплавами с высоким сродством к углероду (алюминиевые, никелевые, урановые) рекомендуется применять глиноземно-силикатную    краску [2], которая обеспечивает высокое качество поверхности отливок и повышает долговечность графитовых форм благодаря высокой прочности покрытия и большой силе сцепления его с формой. Последнее обусловливается большой живучестью и легкостью нанесения краски на рабочую поверхность формы. Глиноземно-силикатная краска вполне заменяет ранее употреблявшуюся противопригарную краску на основе окиси магния. Состав гоиноземно-силикатной краски следующий (в весовых процентах): комовая глина 5-20; каолин 10-25; глиноцемный цемент 30-60; обожженный глинозем 5-35; порошкообразный силикат натрия 0,1-0,5; карбонат натрия 0,1; вода 25-40.

Натриевые соли могут быть заменены другими растворимыми силикатами и карбонатами, например калиевыми. Соотношение глиноземистого цемента и обожженного глинозема меняется в зависимости от требуемых характеристик краски. Для уменьшения прочности краски количество глиноземистого цемента должно быть снижено за счет увеличения глинозема. Количество воды должно меняться в зависимости от способа нанесения краски. Для обеспечения высокого качества краски рекомендуется глиноземистый цемент, содержащий    93% Al₂O₃, 4% SiO₂, 2,0% K₂O.

Для составления краски применяется аморфный каолин (осадочного типа), комовая глина с высокой степенью пластичности, а также глинозем, который используется в фарфоровом производстве. До введения в краску глинозем подвергается обжигу и просеву через сито 0063 (ГОСТ 2138-56). Желательно, чтобы глинозем был зернистым, так как это обеспечивает необходимую пористость. При приготовлении краски все сухие составляющие смеси перемалываются в фарфоровой шаровой мельнице, после чего смесь просеивают через сито 005, и в результате размер зерна смеси составляет 2,1 мкм. После смешивания с водой краску наносят на рабочую поверхность формы при помощи пульверизатора. Перед окрашиванием графитовую форму тщательно очищают, а после нанесения краски высушивают. Толщина слоя покрытия колеблется в пределах 0,25-3,8 мм. Для покрытия, предназначенных для чугунного литья форм рекомендуется краска следующего состава (в мас. частях):

Для приготовления краски жидкое стекло после доведения до требуемого удельного веса смешивают с сажей до состояния пасты, а затем добавляют глину, растворенную подогретой водой. Полученная смесь должна быть тщательно перемешана. Для необрабатываемых поверхностей отливок толщина слоя краски должна составлять 0,2-0,3 мм, а для обрабатываемых поверхностей и литников 0,4-0,6 мм.

Краска наносится на подогретую до 150-250ºС форму при помощи пульверизатора; как показывает зарубежный опыт, очень высокая прочность слоя краски достигается при нанесении ее пульверизатором в электростатическом поле.

*В Украине имеются стабильные поставщики сажи тончайшей грануляции, которой, по нашему разумению, вполне можно заменить голландскую сажу.

С целью повышения стойкости графитовой формы в местах расположения литников рекомендуется промазывать их один раз в смену теплоизоляционной пастой, состоящей из 70% графита и 30% жидкого стекла [4].

Успешная борьба с отбелом отливок из серого чугуна достигается при применении многослойных термоизоляционных покрытий форм [3].

ЛИТЕРАТУРА

1. Сосненко М.Н. Графитовые литейные формы. МАШГИЗ, М., 1963.
2. Stoddart Stephen D. Refractory coafing for graphfe mculds; Unrfed sfafes of Amerca as represented by the Unifed States Atomic Energy Commission (патент № 2840480, 24.06.58).
3. Колесниченко А.Г. Многослойные теплоизоляционные покрытия металлических форм. ЛДНТМ, серия «Литейное производство», вып. 12, 1959.
4. Чередников М.Н. Отливка в графитовые кокили. Сб. «Литейное производство, обмен производственным опытом» ЦБТИ МТМ СССР, № 13-2, 1957

Авторы:

к.т.н.,почетный литейщик Украины Белобров Е. А., инженеры Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е. Л.

КНПП «Формовочные материалы Украины», г. Краматорск

  "Литье Украины" 2021, №4