ООО "ПП Салют"

Литье по газифицируемым моделям

Литьё по газифицируемым моделям (ЛГМ) было впервые запатентовано в 1958 г. в США как метод изготовления художественных отливок. Одной из первых таких отливок была бронзовая скульптура Пегаса, изготовленная в Массачусетском институте (США), массой 150 кг. Этим же способом была сделана отливка мачты для колокола (масса 3,5 т), украшенная орнаментом.       Позже этим способом отливали также художественные изделия из алюминиевого сплава.  

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.