Литье по газифицируемым моделям

Технология литья по газифицированным моделям является одной из самых перспективных и развивающихся в настоящее время технологий литья. Эта технология похожа на литье по выплавляемым моделям, но модель удаляется (газифицируется) не до заливки, а в процессе заливки формы металлом, который, вытесняя (замещая) «испаряющуюся модель» из формы, занимает освободившееся пространство полости формы. Применяемые при этом способе модели изготовляются из пенополистирола различных марок, выпускаемого в виде гранул, блоков или плит. Такие пенополистироловые модели и элементы литниковой системы остаются в готовой литейной форме. При соприкосновении с расплавленным металлом литниковая система, а затем и модель выжигаются (газифицируются) и в виде газов покидают форму, а их место занимает металл.  

      Технология литья по газифицируемым моделям в серийном и массовом производстве заключается в следующем. Гранулированный полистирол загружается в поддон и в закрытых емкостях нагревается паром до температуры 80 °С, что приводит к набуханию его гранул и увеличению их размера до 1…15 мм. После сортировки набухшие гранулы задуваются воздухом в разъемные, обычно алюминиевые, пресс-формы, устанавливаемые в автоклав с температурой более 100 °С и давлением 0,2 МПа. В этой среде полистирол вспенивается и спекается, приобретая внутренние очертания пресс-формы и, по сути, образуя модель детали с элементами питателя и стояка литниковой системы. После извлечения из пресс-форм модели с элементами литниковой системы сушат, склеивают в блоки и покрывают один или два раза огнеупорной обмазкой, состоящей из этилсиликата и молотого кварцевого песка. Опоки для формования выплавляемых моделей делаются с двумя стенками с зазором между ними. Внутренняя стенка снабжена отверстиями для выхода образующихся при заливке газов. Перед формовкой на модели дополнительно наносится противопригарная краска, толщина покрытия ~ 0,2 мм.  

       Модели для крупных отливок могут изготовляться из плит и блоков полистирола путем склеивания и сваривания их элементов. В качестве формовочного состава могут также использоваться ферромагнитный порошок и чугунная дробь. В этом случае состав уплотняется электромагнитным полем, которое не снимается во время заливки и кристаллизации металла отливки. Литниковая система для крупных форм частично выполняется из полистирола (литники, шлакоуловители), частично из керамических трубок. Подвод металла во всех случаях осуществляется сифонным способом для того, чтобы металл в полости формы поднимался снизу вверх, обеспечивая спокойное поступление расплава и постепенную газификацию модели. Поперечное сечение для элементов литниковой системы рассчитывается исходя из необходимости обеспечения подъема металла в форме: для чугунного литья — со скоростью 3…5 см/с, для стального — 5…7 см/с.

 Достоинствами этого способа являются:

• Отсутствие разъёма у модели любой сложности;
• Исключение операции извлечения модели из формы;
• Отсутствие стержней;
• Использование сыпучего огнеупорного материала для формы без связующего.

     Разовые пенополистирольные модели изготавливают либо засыпкой в специальные металлические пресс-формы (массовое и крупносерийное производство) суспензионного полистирола в виде подвспененных гранул, либо механической обработкой нормализованных пенополистирольных плит (мелкосерийное, единичное производство). Сложные модели делают по частям. Отдельные части и литниковую систему соединяют в единый блок склеиванием или сваркой. Собранную модель окрашивают слоем огнеупорной краски и сушат на воздухе. В итоге получается огнеупорная газопроницаемая оболочка, прочно связанная с пенополистирольной моделью.   

     Суть метода заключается в том, что форма для литья уплотняется вокруг газифицируемого макета из легкоплавкого пластика. Чаще всего для ее изготовления используются плотные сорта пенопласта. Газифицируемая модель, вокруг которой утрамбована в опоку форма, не извлекается из нее, а при заливке горячего расплава плавится, переходит в газообразное состояние и испаряется через массу формовочной смеси. Металл занимает освободившееся место, повторяя в мельчайших деталях ее форму и структуру поверхности.

       Собранную модель окрашивают слоем огнеупорной краски и сушат на воздухе. В итоге получается огнеупорная газопроницаемая оболочка, прочно связанная с пенополистирольной моделью.   Готовую модель устанавливают в специальную опоку-контейнер, засыпают зернистым огнеупорным наполнителем без связующего, уплотняют его вибрацией, закрывают металлической крышкой с отверстиями, нагружают и устанавливают литниковую чашу.

      При изготовлении сложных отливок контейнер после подачи опорного материала закрывают сверху полиэтиленовой пленкой, как при вакуумной формовке. Чтобы уменьшить вероятность разрушения формы в ней создают разрежение до 0,04 – 0,05 МПа. При изготовлении крупных массивных отливок используют обычные холоднотвердеющие жидкоподвижные или сыпучие формовочные смеси. Приготовленную форму заливают жидким металлом. Температура газификации пенополистирола близка к 560°С, поэтому под действием теплоты заливаемого расплава модель газифицируется. При этом полость формы постепенно освобождается и заполняется металлом.

      После затвердевания и охлаждения отливки опоку-контейнер переворачивают, наполнитель отделяется от отливки и высыпается, после чего отливка направляется на финишные операции. В случае использования обычных формовочных смесей форму выбивают на выбивных решетках.

      Главная особенность способа (применение неразъемной формы) определяет основное его преимущество для качества готовых отливок – повышение точности отливок благодаря сокращению числа частей формы, стержней, а, следовательно, и возможных искажений конфигурации и размеров отливок, связанных с изготовлением и сборкой этих элементов формы. Точность отливок при литье по газифицируемым моделям в песчаные формы без связующего и с ним согласно ГОСТ 26645—85 (изм. № 1, 1989) соответствует точности отливок, полученных в кокиле или в облицованном кокиль со стержнями.

Чем подкупает данный метод:

• Пенопласт легче обрабатывается, чем дерево.
• Пенопласт не намокает и не коробится, из него проще создавать газифицируемые макеты сложной формы.
• Не требуется высшая квалификация сотрудников.
• Газифицируемую модель не требуется извлекать, что приводит к упрощению процесса формовки и к многократному уменьшению его трудоемкости.
• Снят риск повреждения формы при извлечении газифицируемого макета, не требуется ее доработка.

     Метод пригоден для отливки стали, чугуна, бронз и латуней. Литье в ЛГМ-приобретает все большую популярность на российских металлургических предприятиях и в мастерских художественного литья.

      Основными преимуществами отливок, изготовленных по этой технологии, являются следующие:

• Высокая точность получаемых отливок даже при сложной конфигурации (7—12-й класс по ГОСТ 26645-85);
• Качество и плотность металла в отливке обеспечивается за счет частичного вакуумирования в процессе литья;
• Высокое качество поверхности отливок (RZ 40…80) позволяет в некоторых случаях совсем отказаться от механической обработки, которая была бы необходима при другом способе изготовления;
• Минимальный припуск на механическую обработку, если она все же необходима;
• Полная идентичность отливок в серии.

     Материалом для изготовления газифицируемых моделей служит вспенивающийся полистирол, который представляет собой синтетический полимерный продукт суспензионной полимеризации стирола в присутствии эмульгатора, стабилизатора и порообразователя. В качестве порообразователя чаще всего используют изопентан. Применяемые для изготовления моделей гранулы вспенивающегося полистирола представляют собой полупрозрачные или белые непрозрачные шарики диаметром до 3,2 мм с внешней твердой полистирольной оболочкой, внутри которой находится жидкая фаза – изопентан. Чем тоньше стенки модели, тем мельче должны быть гранулы вспенивающегося полистирола. При нагреве до 27,9оС изопентан закипает и превращается в газ с увеличением объема, а при 80 – 90оС полистирольная оболочка размягчается и под действием давления газа деформируется. При этом объем гранул увеличивается в 10 – 40 раз. Этот процесс называется «вспениванием гранул полистирола». При вспенивании гранул в замкнутом объеме они спекаются в монолитную массу, точно воспроизводящую конфигурацию ограничивающей ее рост конструкции.

     Области применения литья по газифицированным моделям — это отливки различной серийности, от единичного производства до промышленных серий.

     В единичном и мелкосерийном производстве при изготовлении пенополистироловой модели из гранул они засыпаются сразу в пресс- форму, в которой нагреваются в автоклаве в течение 10… 12 мин. Гранулы пенополистирола при этом разбухают и вспениваются, заполняют всю полость и образуют сплошную модель, соответствующую внутренней полости пресс-формы. После охлаждения в проточной воде модель извлекают и передают на формовку. К таким моделям можно приклеивать литниковую систему (также из пенополистирола), используя клей БФ-4, а также столярный или декстриновый. Прибегнув к склеиванию, можно добиться сложной конфигурации и больших размеров моделей. Оно также дает возможность не формовать модели в пресс-формах, склеивать их из деталей, вырезанных из листов и блоков пенополистирола при помощи нихромовой проволоки, нагретой до температуры 300 °С, по шаблонам или другим устройствам.

     Характерной чертой способа литья по газифицируемым моделям является возможность получения отливок по моделям без формовочных уклонов, с уменьшенными припусками на механическую обработку и без стержневых знаков, так как отверстия и выступающие части образуются самой моделью. При этом значительно упрощается процесс формовки: модель с литниковой системой устанавливается в опоку на предварительно насыпанный слой формовочной смеси и засыпается ею до уровня литниковой чаши. Уплотнение смеси может производиться вручную или на вибрационном столе. Перспективным считается способ формовки пенополистироловых моделей с применением жидких самотвердеющих смесей.

Все рассмотренные выше способы литья свидетельствуют о том, что газифицируемые модели не только уменьшают трудоемкость изготовления модельной оснастки, но и дают возможность выполнять неразъемные формы.

       Для изготовления отливок по газифицируемым моделям пенополистирол должен обладать следующими свойствами:

• При плотности 20 – 30 кг/м3 иметь достаточную технологическую прочность (0,1 – 0,2 МПа), чтобы сохранять размеры и конфигурацию моделей в процессе их изготовления, хранения, транспортирования и формовки;
• На всех стадиях технологического процесса иметь минимальную и стабильную усадку (0,15 – 0,2%);
• Обладать достаточной скоростью газификации, чтобы заливаемый металл успевал заполнять полость формы до начала его затвердевания;
• При газификации разлагаться с минимальным содержанием коксообразующих продуктов во избежание появления засоров в отливках.

     Главная особенность способа (применение неразъемной формы) определяет основное его преимущество для качества готовых отливок – повышение точности отливок благодаря сокращению числа частей формы, стержней, а, следовательно, и возможных искажений конфигурации и размеров отливок, связанных с изготовлением и сборкой этих элементов формы. Точность отливок при литье по газифицируемым моделям в песчаные формы без связующего и с ним согласно ГОСТ 26645—85 (изм. № 1, 1989) соответствует точности отливок, полученных в кокиле или в облицованном кокиль со стержнями.

     В настоящее время литье по газифицируемым моделям чаще всего используется со следующими целями:

• Изготовление средних и крупных массивных отливок в условиях опытного и мелкосерийного производства;
• Изготовление сложных отливок из черных и цветных сплавов массой до 50 кг с повышенной точностью размеров в условиях серийного и крупносерийного производства. К таким отливкам можно отнести, например, отливку типа «блок цилиндров» для автомобильного двигателя.

  К преимуществам технологии можно отнести:

• Уменьшение расходов на производственную деятельность. Несколько форм объединяются в одну ЛГМ-модель с целью ускорения процесса заливки.
• Большой ресурс пресс-форм для производства моделей, так как вспененный полистирол не оказывает негативного воздействия на алюминий.
• Экологическая чистота производства, объясняемая полным сжиганием отработанного газа с выделением углекислого газа и водяного пара.
• Отсутствие необходимости механической обработки полученных деталей.
• Экономия расходных материалов, так как кварцевый песок практически полностью может использоваться повторно.
• В цехах, работающих по технологии ЛГМ, условия труда для персонала на порядок лучше, чем в традиционном литейном производстве. Отсутствует гарь, копоть и вредные выбросы.

     Технология ЛГМ становится все более востребованной благодаря своей эффективности и очевидным экономическим преимуществам. Возможно производство заготовок из различных сортов металла, в том числе драгоценного. Одновременно можно выпускать большое количество деталей с неизменно высоким качеством и отсутствием требований по механической обработке.