|
При литье по выплавляемым моделям
форма представляет собой неразъемную керамическую огнеупорную оболочку,
которая формируется из жидких формовочных смесей вокруг разовых неразъемных
моделей. Затем модели удаляют из формы: выплавляют, растворяют или выжи1ают.
Удаление остатков модельного состава и упрочнение оболочки достигается
прокаливанием формы при высокой температуре. Заполнению тонких и сложных по
конфигурации полостей формы способствует ее нагрев перед заливкой.
Технология литья по выплавляемым моделям является
многооперационной. Специфическими операциями являются: изготовление разовой
неразъемной модели самой отливки, а также разовой модели литниково-питающей
системы; сборка этих моделей в единые блоки; приготовление суспензии из
связующего и пылевидного огнеупорного наполнителя; формирование на модельных
блоках огнеупорной оболочки; удаление моделей из оболочки без нарушения ее
целостности; упрочнение оболочки прокаливанием.
Модели получают из легко расплавляющихся, сгорающих или
растворяющихся материалов. Наиболее часто применяют модельные составы на
основе парафина и стеарина, а также церезина, воска и других компонентов,
которые относительно легкоплавки (£ил = 50—100 °С). В то же время
температура их размягчения превышает температуру производственных помещений
$пл 30 °С). Растворяемые модели получают из составов на основе карбамида,
азотокислых и других водорастворимых солей, выжигаемыё — из полистирола, а
испаряемые — из сухого льда и других материалов.
Выплавляемую модель 3 ( 100, а) отливки 1 получают птем
заполнения металлической пресс-формы 2 жидким или пастообразным модельным
составом. В первом случае пресс-форму заполняют свободной заливкой или под
давлением, во втором — запрессовкой твердожидкого состава, смешанного с 8—20
% воздуха. В пресс-формах модельный состав затвердевает и остывает. Затем
модели отливок извлекают и соединяют с отдельно изготовленными выплавляемыми
моделями литниково-питающей системы 4 в блок ( 100, б). Модели, полученные в
одноместных пресс-формах, припаивают паяльником 5. В многоместных пресс-
формах получают звенья из нескольких моделей, которые связаны друг с другом
общей втулкой При сборке модель литниковой воронки и звенья моделей
насаживают на металлический каркас. В блоке моделей втулки, надетые на каркас,
образуют стояк. Модели литникозой воронки изготовляют в отдельной пресс-
форме. Литниковая система при литье по выплавляемым моделям служит не только
для заполнения полости формы расплавом, но и для питания затвердевающей
отливки Металл подводят в наиболее массивные части отливок.
Для получения оболочковой формы модельный блок окунают в
огнеупорную суспензию ( 100, в) и обсыпают песком в псевдоожиженном слое ( 100, г) или пескосыпе Полученное огнеупорное покрытие отверждают путем сушки на воздухе ( 100, д) или
в парах аммиака. Затем на блок наносят таким же образом второй и последующие
слои. Первый слой обсыпают песком, размер частиц которого 0,2—0,315 мм;
последующие слои — крупнозернистым песком.
Обычно оболочковую форму получают четырех—шестикратным
нанесением огнеупорного покрытия. При изготовлении крупных отливок на
модельном блоке формируют более 12 слоев. После сушки последнего слоя модель
выплавляют в горячей воде или расплаве модельной массы ( 100, е) Затем
оболочковую форму подсушивают на воздухе ( 100, ж). Перед заливкой жидким
металлом оболочку засыпают в опоке ( 100, а) опорным наполнителем (обычно
кварцевым песком) и обжигают в печи при 800—1100 °С ( 100, и) для удаления
остатков модельной массы, влаги, продуктов неполного гидролиза, а также для
упрочнения оболочки спеканием. В массовом производстве оболочки заформовывают
горячим опорным наполнителем после их предварительного обжига. Толстостенные
оболочковые формы заливают без опорного наполнителя.
Жидкий металл заливают в горячую или охлажденную
оболочковую форму ( 100, к). Ее температура при заливке стали и чугуна
составляет 800—900 °С, сплавов на основе никеля — 900—1100°С, меди — 600—700
°С, алюминия и магния — 200—250 °С.
После охлаждения отливок их выбивают из формы на решетках.
Опорный наполнитель просыпается через решетку, а блок отливок ( 100, л) после даль
нейшего охлаждения подвергают предварительной очистке на
вибрационных установках. При изготовлении мелких отливок операция
предварительной очистки совмещается с операцией отделения литниковых систем.
Под действием вибрации отливки отделяются от стояка по наиболее тонкому
сечению — месту пережима питателя. Литниковые системы крупных отливок
отделяют на металлорежущих станках и прессах, газопламенной и
анодно-механической резкой.
При предварительной очистке и отделении отливок оболочка
удаляется с наружных поверхностей отливок, но она прочно удерживается в
отверстиях и поднутрениях. Остатки керамической оболочки, составляющей до 10
% от первоначального количества, удаляют при окончательной очистке. Для этого
применяют обычные механические методы (см. гл. 7), а также химическую очистку
в щелочной среде. Стальные и чугунные отливки выщелачивают в 45—55 %-ных водных
растворах NaOH или КОН, нагретых до 150 °С, или в расплавах щелочей при 500
°С. Керамическая оболочка разрушается за счет взаимодействия Si02 с щелочью,
образуя силикаты натрия или калия. Для интенсификации процесса выщелачивание
совмещают с механической очисткой во вращающихся галтовочных барабанах. После
выщелачивания отливки промывают в горячей воде, затем пассивируют в водном
растворе соды и сушат. При необходимости очищенные отливки подвергают
термической обработке в печах с защитной атмосферой. Дальнейшую финишную
обработку отливок осуществляют методами, описанными в гл. 7
Основными компонентами огнеупорной суспензии являются
жидкий связующий раствор и тугоплавкий наполнитель. В качестве связующего
используют гидролизованный раствор этилсиликата (ЭТС). Последний представляет
собой смесь эфиров кремниевых кислот, которые описываются общей формулой
(С2Н60)2л+2 Si„Ort+I, где п = 1, 2, 3, ... ЭТС и вода не растворяются друг в
друге, поэтому реакция гидролиза протекает на границе их раздела. Для
ускорения гидролиза ЭТС и воду смешивают в быстроходных мешалках с целью
диспергирования ЭТС на мельчайшие капли и увеличения поверхности его раздела
с водой, на которой протекает реакция гидролиза. При использовании спирта или
ацетона, в которых растворяются и ЭТС и вода, реакция гидролиза идет по всему
обьему, поэтому допустимо менее интенсивное перемешивание. Для ускорения
гидролиза вводят катализатор НС1.
При гидролизе этоксильные группы С2Н50 частично замещаются
гидроксиль- ными Этот процесс сопровождается поликонденсацией — укрупнением
молекул. Сшивка более простых молекул в сложные с образованием линейных и
сетчатых структур происходит через гидроксильные группы:
О— Н + Н — О — Si — = — Si — О — Si f- Н20.
I I I
При гидролизе малым количеством воды связующий раствор
имеет свойства кремнийорганического полимера. Он отверждается в атмосфере
влажного аммиака; при этом завершается реакция гидролиза, этоксильные группы
полностью замещаются гидроксильными с образованием поли кремниевых кислот п
SiO 2(п + + 1) Н20. Рост этих молекул приводит к увеличению вязкости раствора
и образованию силикозоли. При высушивании и обжиге она сначала превращается в
гель, а затем в твердый кремнезем Si02. Выход Si02 из исходного ЭТС марки 40
составляет 40 ± 2 %, а из связующего раствора должно быть ниже 12—16%.
Поэтому требуемую концентрацию Si02 получают при разбавлении связующего
раствора в процессе гидролиза или после него органическими растворителями
(спиртом, ацетоном) или водой.
С увеличением расхода воды на гидролиз возрастает доля
этоксильных групп, замещенных гидроксильными на этапе приготовления
связующего раствора, поэтому при большом расходе воды сразу образуются золи
кремниевых кислот. Такое связующее отличается малой живучестью, оно быстро
отверждается на воздухе при незначительной влажности.
Огнеупорную суспензию готовят двумя способами. По первому
(раздельному) способу вначале получают связующий раствор, затем в него
добавляют тугоплав
кий наполнитель и перемешивают в течение 40—60 мин. По
второму (совмещенному) способу связующий раствор и суспензию готовят
одновременно в одном реакторе. В качестве тугоплавкого наполнителя используют
пылевидные кварц или злектрокорунд. Их расход составляет соответственно
2,4—2,7 и 2,6—3 кг на I кг связующего раствора.
В связи с дефицитностью и высокой стоимостью ЭТС, а также
с целью исключения из производства органических пожаро- и взрывоопасных
растворителей (спирта и ацетона) в качестве связующего огнеупорной суспензии
используют растворенные в воде жидкое стекло и продукты его переработки:
кремнезоли, а также фосфаты, оксинитраты, оксихлориды различных металлов,
другие соли. Из огнеупорной суспензии с указанными связующими формируют как
облицовочный, так и упрочняющие наружные слои оболочковой формы. Однако такие
оболочковые формы используют ограниченно из-за сложности технологического
процесса их изготовления, нестабильности или низкого качества получаемых
форм, обусловленного свойствами связующих (большой усадкой оболочек при сушке
и обжиге, их размягчением и деформированием при высокой температуре, потерей
связующими свойств после замерзания). Кроме того, не все перечисленные
связующие материалы в достаточном количестве и требуемого качества
поставляются промышленностью.
Оболочковую форму получают также £лектрофоретическим
способом. На модельный блок 1 наносят токопроводящнй слой 2 ( 101). Для этого
модели вначале окунают в токопроводную суспензию, приготовленную из
электролита (40 %-ного водного раствора КОН) и связующего (жидкого стекла или
кальций- алюмохромфосфата) в соотношении 1,5 : 1 по объему, а также
пылевидного кварца (4 кг на 1 дм3 раствора). Затем смоченный модельный блок
обсыпают кварцевым песком. Далее модельный блок погружают в
электрофоретическую суспензию 4, приготовленную из водного раствора
электролита (0,04 %-ного трииатрийпирофос- фата или гексаметафосфата натрия),
пылевидного кварца (1,4 кг на I дм3 раствора) и кварцевого песка (1 кг на 1 дм3 раствора), и вновь обсыпают кварцевым песком. Вместо кварца в качестве огнеупорных
материалов используют шамот или электрокорунд. Металлический электролизер 5
подключают к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Роль анода
выполняет металлический каркас стояка модельного блока 1 вместе с
выплавляемыми моделями и токопроводным слоем 2. При включении тока напряжением
45—60 В огнеупорный наполнитель в водной суспензии перемещается к аноду и
осаждается на токопроводном слое, образуя форетический слой 3.
Электрофоретический перенос огнеупорного наполнителя в жидкости под действием
электрического поля обусловлен заряженностью частиц
вследствие образования на их поверхности двойного
электрического поля. За 60—90 с на модели за одну операцию осаждается
огнеупорный слой толщиной 6—8 мм. Форму подсушивают на воздухе и сушат в
шкафу при влажности 60—85 %. Последующие операции удаления модели и обжига
формы выполняют по обычной технологии.
При электрофоретическом способе формирования оболочкового
огнеупорного слоя на выплавляемой модели значительно сокращается число
технологических операций, однако качество поверхности отливок при этом
способе несколько ниже, чем при литье в этиле ил и кати ые оболочковые формы.
Поэтому для улучшения качества отливок на модель сначала наносят
этилсиликатное покрытие по обычной техиоло- ! ии. После провяливания в
течение 4—6 мин на нем формируют токопроводный и электрофоретический слои.
Трехслойную оболочку получают за 15—20 мин. Для изготовления отливок массой 8 кг и более без опорного наполнителя после сушки в течение 5—10 ч первого электрофоретического слоя
формируют второй токопроводный и электрофоретический слои. Продолжи г ел
ьность изготовления электрофоретических оболочковых форм в 1,5—2 раза меньше,
чем этил- силикатных.
Особенности способа и области его применения. Отсутствие
разъема формы обеспечивает повышенную точность размеров и массы отливок, а
формирование керамической оболочки из мелкозернистого огнеупорного
наполнителя — высокую чистоту поверхности. Заливка в горячие формы улучшает
ее заполняемость жидким металлом. При этом становится возможным получение
сложных по конфигурации отливок массой от нескольких граммов до десятков
килограммов со стенками толщиной 0,6—5 мм и размерами до 1 м. Вследствие медленного остывания металла в форме улучшается питание отливок за счет большего
развития фильтрации расплава из литниково-питающей системы, но укрупняется
структура. Негазотворность оболочек после обжига предупреждает образование в
отливках газовых раковин.
Литье по выплавляемым моделям широко применяют для
производства мелких сложных отливок в приборо-, автомобиле-, тракторостроении
и других отраслях машиностроения. Применение выплавляемой модели, которая
может быть составлена из отдельных частей путем пайки или склеивания, позволяет
получать литьем сложные цельные детали, которые не удается изготовить другими
способами обработки металлов. Этим способом получают детали турбинных лопаток
из жаропрочных сплавов, которые плохо обрабатываются резанием, колеса насосов
из коррозионно-стойких сплавов, детали турбомашин, постоянные магниты с
ориентированной кристаллической структурой и др.
Себестоимость 1 т отливок, получаемых литьем по
выплавляемым моделям, в 3—10 раз выше, чем отливок, получаемых литьем в
песчаные формы. Однако за счет высокого качества отливок, уменьшения объема
механической обработки общие расходы на изготовление детали ниже. Особенно
экономически эффективно применение этого способа при массовом и серийном
производстве мелких деталей.
Получение деталей из точных отливок эффективнее, чем из
поковок: расход металла "и трудоемкость механической обработки
сокращаются на 30—80 %, а себестоимость уменьшается на 22—80 %.
|