Вспомним забытые технологии: Углесодержащие и углеродистые формовочные материалы для литейного производства часть 3. Использование графитистых материалов для изготовления литейных формю М

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Настоящую публикацию не стоит рассматривать как изложение технологии производства литья в графитовых формах. Она имеет цель привлечь внимание литейщиков к технологическим возможностям графитовой формы, что же касается конкретной технологии как таковой, то авторы настоящей публикации рекомендуют использовать очень обстоятельный литературный источник [1], в котором детально содержатся обстоятельные рекомендации по всем нюансам этой технологии.

Теоретические основы использования углеродистых материалов в составе литейной формы изложены ныне покойным выдающимся украинским литейщиком Колотило Даниилом Макаровичем в его достопамятном труде «Применение и исследование углеродистых материалов для литейных форм» [2].

Техника и технология использования графитовых форм для производства отливок изложена в труде Сосненко М.Н. [1].

Повышение точности и степени чистоты поверхности отливок, наряду с экономией металла и снижением трудоемкости механической обработки заготовок, дает возможность повысить долговечность литых деталей машин благодаря сохранению на их поверхности наиболее плотного и высококачественного слоя литейной корки. Повышение точности отливок должно осуществляться по трем направлениям:

всемерное развитие и совершенствование таких специальных способов литья, как литье под давлением, литье по выплавляемым моделям, литье в оболочковые формы, кокильное литьё, центробежное литье, литье по газифицируемым моделям и др.;

совершенствование литейной технологии, с использованием разовых песчаных толстостенных форм;

разработка и внедрение в производство новых технологических процессов, обеспечивающих получение отливок повышенной точности.

Для условий массового и крупносерийного производства определенных отливок заслуживает внимание метод получения отливок в многократно используемых графитовых формах.

Литье в графитовые формы – технологический процесс получения фасонных отливок, при котором расплавленный металл заливается в форму, изготовленную посредством механической обработки из искусственного графита; литье производится как под действием силы тяжести, так и с помощью внешнего давления (центробежная сила, давление сжатого воздуха, поршневое давление и т.п.).

Литье в графитовые формы характеризуется высокими технико-экономическими показателями, вытекающими из преимуществ графитовых форм перед широко применяющимися в настоящее время разовыми песчаными, а также металлическими формами, используемыми при кокильном и центробежном методах литья. Преимущества и недостатки графитовых форм по сравнению с металлическими кокилями приведены ниже.

Преимущества:

Более высокая термическая, химическая и коррозийная стойкость.

Меньшая длительность и трудоемкость механической обработки при производстве форм.

Исключение термической обработки форм.

Отсутствие привариемости заливаемого металла к телу формы.

Более высокая плотность и механические свойства получаемых отливок.

Более высокая предельная точность и чистота поверхности отливок, а следовательно, меньшая величина припусков на механическую  обработку.

В три раза меньше вес формы при тех же размерах.

Недостатки:

Меньшая термическая прочность.

Более ограниченная номенклатура производимых заливок.

Содержит данные исследований автора [3], проведенных при литье чугуна, алюминиевых и медных сплавов в графитовые формы. В связи со специфическими условиями экспериментов приводимый в книге материал не претендует на исчерпывающую полноту.

Данная публикация преследует также цель помочь работникам литейных цехов, проектных организаций и студентам высших учебных заведений при разработке и внедрении в производство технологического процесса получения отливок повышенной точности в графитовых формах.

2. ГРАФИТ КАК ЛИТЕЙНЫЙ МАТЕРИАЛ. СВОЙСТВА ИСКУССТВЕННОГО ГРАФИТА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Как показала долголетняя практика литейного производства, природный графит не является удовлетворительным материалом для производства многократно используемых литейных форм.

Литейщики издавна занимались изысканием материалов для изготовления долговечных литейных форм. Такие материалы с учетом задач литейного производства должны обладать малым коэффициентом теплового расширения; высокой теплопроводностью и огнеупорностью; хорошим сопротивлением растрескиванию при быстром нагревании и разъедающему действию расплавленного металла и шлаков; малой гигроскопичностью; низкой газотворной способностью и т.д. Этим условиям в большей степени удовлетворяют главным образом металлы, а также некоторые неметаллические материалы и смеси, в состав которых входят шамот, магнезит, хромистый железняк, циркон, асбест и другие высокоогнеупорные материалы. На основании научных исследований [3], а также имеющегося производственного опыта хорошим материалом для многократно используемых литейных форм следует считать искусственный графит, технология получения, свойства и область применения которого описаны ниже.

Искусственный графит выпускается электродными заводами в виде цилиндрических и прямоугольных заготовок, а также в виде различных фасонных изделий. Основными исходными материалами для его производства служат измельченный нефтяной кокс и каменноугольный пек. Последний используется в качестве связующего вещества.

Процесс получения графитовых изделий складывается из ряда последовательно осуществляемых операций:

а) прокаливание измельченных частиц нефтяного кокса в газовой печи при температуре 1300-1400ºС для удаления из него летучих веществ, что повышает теплопроводность и механическую прочность графита;

б) смешивание в определенной пропорции размолотых и рассортированных по размеру прокаленных частиц углеродистых материалов с каменноугольным пеком в механических мешалках, которые предварительно подогреваются, чтобы процесс осуществлялся при определенной температуре;

в) прессование охлажденной смеси на специальных прессах в фасонных матрицах или ее выдавливание через отверстие соответствующего диаметра цилиндрической матрицы при удельном давлении 2000-3000 кгс/см² для получения заготовок в форме плит, брусков, круглых стержней или труб;

г) обжиг спрессованных полуфабрикатов с целью образования коксовой атомной решетки, которая прочно цементирует зерна исходных материалов; при этом они приобретают совершенство формы, высокие показатели механической прочности, теплопроводности и термической стойкости; температура обжига составляет 1300ºС, а его длительность 4-7 недель; полученный продукт называют «амфорным» углеродистым материалом, так как его структура отличается неупорядочностью атомных цепочек углерода;

д) графитизация углеродистых заготовок при температуре 2500-2700ºС для превращения амфорного угля в графит.

Графитизирование производится в электрических печах сопротивления, где сопротивлениями являются сами графитизирующиеся заготовки, пересыпанные контактным материалом (антрацитом, коксом и др.). Длительность графитации обычно составляет 13-15 суток, а всего процесса получения графитизированных заготовок – более 2 месяцев.

При графитизация  углеродистых нефтяных заготовок происходит процесс укрупнения кристаллов углерода с одновременным упорядочением расположения его атомных цепочек, в результате чего мелкокристаллический амфорный углерод превращается в графит, атомная решетка которого ничем не отличается от атомной кристаллической решетки природного графита.

Кристаллы графита принадлежат к тригональной (ромбической) гипосингонии – имеют своеобразное слоистое строение: атомы каждого слоя расположены в углах правильных шестиугольников так, что каждый из них имеет трех соседей на расстоянии 1,42Ǻ, вследствие чего между ними действуют значительно боле слабые связи.

Эти особенности кристаллической структуры придают графиту следующие характерные свойства:

1. Высокая огнеупорность. Углерод не плавится при достигаемых в настоящее время температурах. Температура сублимации чистого графита составляет 3890ºС, а его тройная критическая точка соответствует 4000ºС и давлению 100 кгс/см². Продукты окисления углерода газообразны, так как он переходит из твердого состояния непосредственно в газообразное. Высокая огнеупорность и чрезвычайно низкая теплопроводность графитизированного материала объясняется тесным расположением атомов в слоях решетки графита, которое создает особые затруднения для их тепловых колебаний.

Сравнение с такими жаропрочными материалами, как окись алюминия (температура плавления 2050ºС), окись бериллия (температура плавления 2570ºС) и двуокись циркония (температура плавления 2700ºС) позволило установить, что материалы на основе угля и графита являются единственными в своем роде материалами, сохраняющими достаточную прочность при температуре выше 1370ºС.

2. Исключительно высокая термическая стойкость при резких изменениях температуры, благодаря чему графитизированный материал может работать в вакууме порядка 10^-4 мм рт.ст. до 2300ºС, в восстановительной и нейтральной средах до температуры 2800-3000ºС; однако в присутствии кислорода воздуха углерод начинает окисляться уже при 600-650ºС.

Высокая термическая стойкость угольно-графитовых материалов является следствием их низкого коэффициента линейного расширения (0,02-0,05) 10^-4, а также высокой теплопроводности, величина которой одного порядка с большинством материалов, почти в 2 раза выше теплопроводности чугуна и во много раз больше, чем у песчано-глинистых формовочных и стержневых смесей. Последнее объясняется присутствием в кристаллической решетке графита легкоподвижных электронов, которые переносят электричество и передают тепловые колебания от атома к атому.

Сравнительные показатели физических свойств различных формовочных материалов приведены в табл. 1

                                                                                                                                Таблица 1

3. Высокая химическая и коррозийная стойкость, вследствие чего графит не растворяется ни в каких растворителях, кроме расплавленных металлов Fe, Pt, Mo, V, W, Co, Ni, Cr, Mn, не смачивается расплавленными металлами и шлаками металлургических печей. Несмачиваемость расплавленными металлами особенно важна при ароизводстве отливок из бронзы и других цветных сплавов, которые вступают в прочный контакт с поверхностью формы, что имеет место при литье в металлические формы.
4. Низкий коэффициент трения, что объясняется в первую очередь тонкой структурой угольно-графитовых материалов, а также слоистым расположением атомных цепочек углерода. При трении происходит легкое смещение слоев графита относительно друг друга, что и объясняет их самосмазывающие свойства и низкий коэффициент трения.
5. Высокая механическая прочность (предел прочности на сжатие 150-350 кгс/см², на изгиб 100-200 кгс/см², на разрыв 80-130 кгс/см², на скручивание 100-140 кгс/см²).
6. Очень малая твердость (по Шору 30-40, по Бринелю 5-10, по Моосу 1-2), которая объясняется чрезвычайной легкостью расщепления кристаллов графита по плоскостям их спаянности.
7. Довольно высокая пористость, которая составляет 20-30%. Для повышения плотности, непроницаемости для газов и жидкостей, а также увеличения химической стойкости в агрессивных средах угольно-графитовые материалы подвергают дополнительной пропитке каменноугольным пеком, феноло-формальдегидной смолой, лаком этинолем и жидкими металлами (баббитом марки Б-83, сплавом 95% Pb и 5% Sn и др.).

Графитовые заготовки легко обрабатываются режущим деревообрабатывающим инструментом, а полученные из них литейные формы отличаются четкой конфигурацией и высокой точностью размеров. Высокая механическая прочность графитовых заготовок при низких и высоких температурах, а также высокая их плотность позволяют использовать графитовые формы без применения внутренней арматуры или упрочняющих приспособлений. К недостаткам форм из искусственного графита относят малую прочность тонких сечений и острых углов, недостаточную для литейных форм газопроницаемость, а также почти полное отсутствие податливости.

3. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ

Основой графитистых форм является так называемый искусственный графит – новый универсальный конструкционный материал, который находит широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В связи с этим электродными заводами выпускается большое число марок углеграфитовых материалов, которые отличаютмя как свойствами, так и размерами изготавливаемых из них заготовок.

Данные автора [3], касающиеся выбора углеродисто-графитистых материалов для изготовления  графитовых форм, несколько устарели. Поэтому рекомендуем заинтересованным литейщикам проработать этот вопрос через интернет (ключевое слово для поиска информации – «искусственный графит»).

Для производства графитовых литейных форм автор [4] рекомендуются заготовки из графитовых материалов марок ГМЗ и МГ.

Графитовый материал марки ГМЗ (старая марка Б) отличается среднезернистой структурой и небольшой зольностью (до 0,04%). Из него заготовки изготавливают как круглой формы (диаметром 70-500 мм и длиной до 150 мм), так и прямоугольной (200х200х500 мм). Объемный вес материала не ниже 1,56 г/см³, механическая прочность на сжатие не ниже 250 кг/см².

Графитовый материал марки МГ (старая марка В) характеризуется мелкозернистой структурой и небольшой зольностью (не более 0,06%). Из этого материала изготавливают только заготовки цилиндрической формы диаметром 94, 129, 159, 209, 234, 279 и 300 мм при длине до 240 мм. Объемный вес графитового материала должен быть не ниже 1,50 г/см³, механическая прочность на сжатие не ниже 200 кгс/см². Для изготовления графитовых форм и их элементов на некоторых заводах (Минский автомобильный, Коломенский тепловозостроительный и др.), используют отходы графитизированных электродов дуговых электропечей.

Для изготовления графитовых форм при непрерывном или центробежном литье заготовок цилиндрической формы применяют графитизированные трубы диаметром до 500 мм и длиной до 1500 мм, которые изготавливают путем высверливания отверстий в прессованных заготовках искусственного графита. Графитизированные трубы могут иметь следующие параметры: диаметры внутреннего отверстия до 150 мм, длина отверстий 16-1500 мм, толщина стенки труб 3-20 мм.

Для изготовления элементов графитовых форм, а также для вытачивания запорных фланцев, используемых при центробежном литье в качестве заготовок используют графитизированные стержни (диаметром 9-25 мм и длиной 150-600 мм), углеродистые диски из графитизированного материала (диаметром 10-320 мм и высотой 15-60 мм), а также фасонные углеродистые крышки размерами D = 180÷230 мм; D₁ = 170÷215 мм; D₀ = 30÷55 мм;                     Н = 7÷15 мм. Для заделки швов между отдельными составными частями графитовых форм применяется футеровочная углеродистая замазка, а для получения графитизированных блоков больших размеров (путем объединения нескольких заготовок) – клей СТУ. Футеровочная углеродистая замазка изготавливается из малозольного нефтяного или пекового кокса в сочетании с каменноугольным пеком, который используется в качестве связующего материала. Перед употреблением замазку подогревают и размягченной массой заполняют швы и стыки между блоками. Обожженная под слоем углеродистой засыпки (для удаления летучих веществ) углеродистая масса плотно цементирует промазанные места. Клей СТУ изготовляется из графитизированной пыли, резольной смолы ВИАМ (б) и паратолуолсульфохлорида в качестве катализатора. Перед склеиванием добавляют разбавленную соляную кислоту (удельный вес 1,10 г/см³) в количестве 2% от массы клея. Склеивание должно производиться в месте, снабженном приточной и вытяжной вентиляцией. Перед склеиванием места соединения графитовых частей очищают от пыли и промывают два раза лаком, состоящим из 60% смолы ВИАМ (б) и 40% этилового спирта, после чего на них шпателем наносят клей СТУ толщиной 1-1,5 мм в зависимости от пористости поверхности. Далее части с нанесенным на них слоем клея СТУ соединяют, выравнивают и закрепляют до полного затвердевания клея. Для придания прочности блоки высушивают в течение 10-15 часов  при температуре 130-150ºС. Клей СТУ пригоден для работы в течение 30-60 мин.

4. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ГРАФИТОВЫХ ФОРМ

Несмотря на большие преимущества перед применяющимися в литейных цехах песчаными толстостенными, а также металлическими формами, литейные графитовые формы в настоящее время имеют ограниченное применение. Последнее объясняется рядом причин:

- дефицитностью искусственного графита, который стал поставляться в достаточных количествах промышленным предприятиям только в самое последнее время;

- отсутствием рекомендаций по выбору технологических режимов, а также по проектированию и изготовлению графитовых форм;

- отсутствием большого производственного опыта литья в графитовые формы.

Графитовые формы нашли применение главным образом при производстве несложных отливок из стали, чугуна, медных и алюминиевых сплавов.

Типичными отливками в графитовые формы являются:

4.1. Колеса железнодорожного транспорта. Их производит американская фирма Griffin wheelCo [5]. Литье осуществляется под давлением сухого сжатого воздуха 2 ати. Для повышения долговечности графитовые формы помещают в металлические опоки. Отлитые в графитовых формах колеса получают с допусками 0,5 мм по всем размерам, кроме диаметра, для которого допускаются отклонения до 2 мм. Первая партия из 1000 стальных литых колес успешно выдержала длительную эксплуатацию после предварительных крайне жестких контрольных испытаний.

Повышенная точность и чистота поверхности отливок достигается подбором качества искусственного графита, а также способом и скоростью ввода стали в форму. При чрезмерной плотности графита отливки получались с грубой поверхностью, а при недостаточной его плотности форма растрескивалась, расслаивалась и разъедалась сталью. Последнее происходило за счет действия силы удара струи металла при заливке формы.

При использовании графита, обладающего низким коэффициентом расширения и хорошей стойкостью против термических ударов, а также при плавном вводе стали снизу с определенной скоростью заливки, стойкость формы составляла 400 заливок. При двадцати переточках в одной графитовой форме отливали 8000 колес.

4.2. Цилиндрические болванки и стержни. На одном из английских заводов [6] чугунные литые болванки диаметром 20-125 мм производят непрерывным способом на вертикальных и горизонтальных установках, использующих графитовые водоохлаждаемые формы – кристаллизаторы. Вертикальные машины являются более удобными для производства болванок меньшего диаметра. Так как подобные машины неудобны из-за большой высоты столба металла, то наиболее распространенными являются горизонтальные машины. Болванки отливают из нелегированного и легированного (1,4% никеля и 0,4% хрома) серого чугуна, который выплавляют в обычной кислой вагранке производительностью 2 т/час.

4.3. Втулки. Стальные, чугунные и бронзовые втулки отливают в графитовых формах как статическим, так и центробежным способом.

В цехе спецлитья Минского автозавода [7] бронзовые втулки отливают в графитовых формах, которые изготавливают из отходов электродов электродуговой печи. Отрезанная от куска электрода определенной длины заготовка разрезается и по линии разъема шлифуется. Далее обе половинки складываются, а один из концов сплошного графитового цилиндра зажимается в патрон токарного станка; другой конец цилиндра, чтобы не расходились половинки заготовки, зажимается скобой. Затем во внутренней части цилиндра резцом вытачивается форма соответственно наружной поверхности отливаемой втулки, а также знак для установки центрового песчаного стержня; длительность изготовления такого графитового кокиля составляет 20-30 мин.

Как показал опыт Минского автозавода, метод отливки бронзовых втулок в графитовые формы имеет следующие преимущества по сравнению с литьем в песчаные и металлические формы: низкую стоимость изготовления формы, резкое снижение брака отливок по газовым раковинам, сокращение длительности сборки формы и легкое удаление из нее отливки, высокую степень чистоты поверхности отливок. Последнее обусловливается в большой степени тем, что бронза не вступает в химическое взаимодействие с углеродом формы. Стойкость графитового кокиля достаточно высока и составляет до 500 заливок. Перевод на литье в графитовые формы четырех наименований втулок для серийного производства (ранее отливались в песчаные формы) с годовой программой 5000-6000 шт. (позволил сэкономить за счет уменьшения припусков на механическую обработку 9020 кг бронзы (без учета брака).

По данным зарубежной печати, графитовые формы дали наиболее благоприятные результаты по сравнению с использованием всех других формовочных материалов в отношении чистоты поверхности и отсутствия мелкой пористости для отливок с высоким содержанием урана [8] и титана [9, 10].

Следует отметить также успешное использование искусственного графита для изготовления вспомогательных разливочных и других устройств литейных машин, в частности литниковых чаш [1].

Принимая во внимание вышеупомянутые недостатки искусственного графита (малая прочность тонких кромок и сечений, недостаточная газопроницаемость и отсутствие податливости), а также его высокую теплопроводность, способствующую образованию отбела чугуных отливок, к конструкции отливок при их получении в графитовых формах следует предъявлять определенные требования, главнейшими из которых следует считать:

- простоту наружной конфигурации – минимальное число выступающих и отъемных частей (бобышек, ребер) и углублений, что обеспечивает минимальное количество прямолинейных разъемов формы и легкость удаления из нее отливки;

- простоту внутренних полостей (отсутствие в детали глубоких отверстий и впадин, а также полостей сложной конфигурации, требующих установки в форму большого количества песчаных стержней);

- отсутствие резких переходов от более толстых стенок к тонким, острых углов, тонких кромок и сечений;

- достаточную для заполнения расплавленным сплавом толщину стенок; при оптимальных параметрах технологического режима литья толщина стенок небольших отливок из чугуна и алюминиевых сплавов должны быть не менее 5 мм, а для медных 3 мм.

Исходя из этих требований, имеющегося производственного опыта использования графитовых форм, а также результатов проведенного исследования [3], делаются следующие выводы.

1. Графитовые формы наиболее целесообразно применять при массовом и крупносерийном производстве несложных фасонных отливок из серого чугуна, медных и алюминиевых сплавов весом до 500 кг.

При использовании разработанных автором [1] универсальных графитовых форм со сменными частями метод литья найдет широкое применение в серийном производстве отливок. При многократной переточке вкладышей метод литья в универсальные графитовые формы может также оказаться рентабельным в условиях мелкосерийного производства однотипных отливок (втулки, гильзы и т.п.), отличающихся незначительной разностью размеров.

2. Типовыми деталями, пригодными для перевода на литье в графитовые формы, являются:

- всевозможные несложные детали цилиндрической формы (втулки, гильзы и поршни цилиндров, фланцы, крышки, диски, стаканы, колеса вагонеток, колеса железнодорожного транспорта и т.п.);

- разнообразные детали несложной прямоугольной конфигурации (плиты, основания, грузы и другие литые заготовки коробчатой формы). Отливки более сложной конфигурации, с наружными и внутренними выступающими частями, а также углублениями могут быть получены при использовании в графитовых формах отъемных графитовых вставок и песчаных стержней.

3. Учитывая резкое повышение плотности металла за счет высокой скорости его кристаллизации в графитовой форме, этот метод литья следует особенно рекомендовать для производства заготовок литых деталей машин, к которым предъявляются высокие требования в части гидравлической плотности, повышенных давлений и высокой износостойкости (крышки, гильзы и поршни цилиндров, золотниковые втулки, фланцы и корпуса патронов токарных станков, детали насосов, части гидроаппаратуры и т.д.).

ЛИТЕРАТУРА

1. Сосненко М.Н. Графитовые литейные формы. МАШГИЗ, М., 1963.
2. Колотило Д.М. Применение и исследование углеродистых материалов для литейных форм. УкрНИИНТИ, г. Киев, 1969.
3. Сосненко М.Н. Параметры литья в постоянные графитовые формы. «Литейное производство», 1960, № 2.
4. Ангелевич М.М. Углеродистые электроды и графитированные изделия. Металлургиздат, 1961.
5. Hursen H.H. Low-pressure casting of steel in graphite moulds. «Machinery», vol. 87, №2244, 1955.
6. Gumberland J. Production and preserfies of cast-iron bar. «Foundry Trade Journal», vol. 109, № 2290, 1960.
7. Аранчук Л.С. Коспаровский П.С. Отливка бронзовых втулок в графитовых кокилях. «Листок технической информации», серия «Машиностроение и приборостроение» №4 Иститута ГТИ и ПГНТК СМ БССР, Минск, 1961.
8. Chandley, Flack D.G. Uraniun foundry practice. «Foundry», vol. 88, № 2, 1960.
9. Edelman R. Melting and coating of titanium, «Modern metals»,
10. Molds for titanium castings. «Light metal», vol. 17, № 200, 1954.

Авторы: Канд.техн.наук, 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, №2. c.28-35