Достоинства и недостатки процесса литья в песчано-глинистые формы

К достоинствам процесса литья в песчано-глинистые формы следует отнести:

- универсальность процесса, т.е. возможность получать отливки из любых сплавов, любых размеров и массы, любой геометрической сложности в условиях индивидуального, серийного или массового производства;

- низкая стоимость литья;

- высокая производительность - до 180-240 форм в час (на опочных автоматических линиях) и до 500 форм в час (безопочная формовка);

- возможность механизации (литейные конвейеры) и полной автоматизации процесса (автоматические литейные линии).

Рис. 2.6. Способы уплотнения песчано-глинистых форм прессованием: а) нижнее (моделью снизу); б) верхнее (колодка с резиновой прокладкой); в) диафрагменное; г) верхнее жесткой колодкой; д) дифференциальное

Рис. 2.7. Уплотнение песчано-глинистых форм:

а) встряхиванием (1 - рамка наполнительная, 2 - опока, 3 - модель, 4 - стол встряхивающий, 5 - станина), б) пескометное (1 - отверстие, 2 - «комок», 3 - лопатка, 4 - диск, 5 - ленточный транспортер, 6 - головка пескомета), в) пескодувным способом (1 - гильза, 2 - бункер, 3 - шибер, 4 - смесь формовочная, 5 - опока, 6 - модель)

Рис.2.8. Способы очистки отливок: а) схема дробеметной очистки,

б) дробеметный барабан, в) галтовочный барабан

К недостаткам процесса относятся:

- большой объём применяемых вспомогательных материалов, что влечёт за собой необходимость в значительных производственных площадях и в специальном оборудовании для их переработки;

- большой объём отходов (нерешённость вопросов экологии);

- недостаточные точность и качество поверхности отливок, и как следствие - большие потери металла в стружку;

- пониженные механические свойства металла при производстве толстостенных отливок (из-за пониженной скорости затвердевания);

- неблагоприятные условия труда в литейном цехе.

Специальные способы литья

Специальные способы литья по сравнению с литьём в песчаные формы обеспечивают большую точность отливок, повышают качество поверхности, снижают припуски на механическую обработку. Некоторые из них позволяют резко сократить или ликвидировать потребность в формовочных и стержневых материалах, улучшить условия труда. Стоимость деталей, как правило, уменьшается. Однако в некоторых случаях стоимость литых заготовок может повышаться. Общий объём производства литых заготовок специальными способами литья в машиностроении не превышает 15%. Большое распространение в машиностроении получили такие специальные способы, как литье по выплавляемым моделям, оболочковое литье, литье в кокиль и под давлением, центробежное.

3.1. Литьё по выплавляемым моделям

При этом способе расплавленный металл заливают в многослойные неразъемные тонкостенные керамические формы, изготовленные по выплавляемым моделям. Технологические основы способа известны с древних времён и разрабатывались для нужд ювелирного и художественного литья. В машиностроении способ применяется с начала 20 -го века.

Этим способом отливают сложные, но небольшие по массе детали и заготовки из углеродистых и легированных сталей, твёрдых сплавов, сплавов на основе титана, меди и алюминия.

Технологический процесс применяется в авиастроении, автомобильном, тракторном и сельхозмашиностроении, при производстве режущего инструмента, штампов, турбин, швейных машин, велосипедов, стрелкового оружия, в приборостроении [2,4,5,6,7,11,12].

Неразъёмную литейную форму изготавливают по модели, изготовленной из легкоплавкого материала (парафин, стеарин, церезин) путём многократного погружения в жидкую огнеупорную суспензию с последующей обсыпкой кварцевым песком и подсушкой на воздухе (или в атмосфере аммиака), после чего модель из формы выплавляют и в образовавшуюся полость заливают расплавленный металл.

Технологический процесс изготовления отливки по выплавляемым моделям включает (рис 3.1) шесть основных этапов.

Первый этап (выплавить жидкий металл) определяется, как правило, видом заливаемого сплава. Для черных сплавов в большинстве случаев применяют индукционную плавку в печах высокой или промышленной частоты, для легкоплавких цветных сплавов - возможно применение электропечей сопротивления.

Специфическим для рассматриваемого ТП является второй этап - изготовить форму по выплавляемым моделям. Второй этап включает (рис. 3.1) шесть основных операций:

изготовить модель из легкоплавкого материала (рис.3.1,а),

изготовить модельный блок (рис.3.1,б),

образовать огнеупорную многослойную оболочку (рис.3.1,в),

выплавить модельный состав из формы(рис.3.1,г),

засыпать форму кварцевым песком (рис.3.1,д),

прокалить форму (рис.3.1,е).

Толщина стенок многослойной керамической формы - от 4 до 6 мм, число слоев - от 3 до 10. Исходным материалом для формы служит огнеупорное покрытие (суспензия), включающее пылевидный кварц (или мелкий кварцевый песок) в сочетании с гидролизованным раствором этилсиликата - (C₂H₅O)₄Si. Пример состава гидролизованного раствора этилсиликата (в % по массе): ацетон - 40, этилсиликат - 40, вода подкисленная (вода и 1,5 % НС1) - 20. Суспензия в свою очередь включает: кварц пылевидный - 70 %, гидролизованный раствор этилсиликата 30 %.. Возможны и другие соотношения.

В качестве примера рассмотрим процесс изготовления формы по выплавляемым моделям заготовки "шара" из легированной стали (рис. 3.1). Первая операция (рис.3.1,а) - изготовить модели из легкоплавкого материала (например, парафин плюс стеарин в соотношении 1:1). Шприцем расплавленную модельную массу запрессовывают в металлическую водоохлаждаемую пресс - форму. На легкоплавкой модели шара получают также небольших выступ - модель питателя. После затвердевания легкоплавкие модели извлекают из пресс - формы, окончательно охлаждают (обычно модели выталкивают из пресс - форм в ванну с холодной водой).

Вторая операция (рис.3.1,б) - изготовить модельный блок («елочку»). Для этого пустотелая алюминиевая модель стояка погружается в расплавленный модельный состав и на её поверхности образуется затвердевший слой толщиной 1..2мм. Затем легкоплавкие модели припаивают питателями к стояку с помощью электрического паяльника. В результате образуется модельный блок, включающий шесть моделей шара. На практике число моделей в блоке может достигать нескольких десятков. Возможна сборка на стояке парафиновых секций, что повышает качество модельного блока, а также производительность труда.

Третья операция(рис.3.1,в) - образовать огнеупорную многослойную оболочку. Модельный блок погружают в суспензию, смачивая все поверхности моделей, извлекают и обсыпают мелким кварцевым песком (кварц пылевидный). Процессы нанесения суспензии и обсыпки повторяют от 3 до 10 раз. Каждый слой, толщина которого составляет 0,5 - 0,8 мм, высушивают на воздухе или в парах аммиака. Обсыпка модельного блока кварцевым песком может производиться также по методу "кипящего слоя" (емкость с кварцевым песком продувается через днище сжатым воздухом). Время высушивания на воздухе каждого слоя составляет более 20-30 минут.

Четвертая операция(рис.3.1,г) - выплавить модельный состав из формы. Эта операция выполняется либо в печи, либо в ванне с горячей водой при температуре 90°С. Последний способ более удобен, т.к. исключает выделение неприятных запахов. При погружении модельного блока в горячую воду легкоплавкие модели быстро расплавляются и модельный состав в виде отдельных капелек всплывает на поверхность воды, откуда его извлекают для повторного использования. После полного удаления модельного состава литейные формы извлекают из ванны.

Пятая операция (рис.3.1,д) - засыпать форму кварцевым песком. После извлечения из ванны и удаления из рабочей полости воды и остатков модельного состава керамическую форму помещают в металлический контейнер (из жаропрочной стали) и засыпают крупным кварцевым песком, При засыпке песка иногда применяют вибрацию. Песок является опорным материалом, позволяет удерживать форму в вертикальном положении. В некоторых случаях керамические формы песком не засыпают.

Шестая операция (рис.3.1,е) - прокалить форму. Контейнер с керамической формой помещают в электропечь (температура 900- 1000°С) и прокаливают в течение 3-х и более часов. При этом прочность формы резко возрастает, а остатки воды и модельной массы испаряются. Форма готова для заливки металла.

Рис. 3.1. Литье по выплавляемым моделям заготовки «Шар» из легированной стали (основные технологические операции): а) Изготовление легкоплавкой модели, б) Образование модельного блока, в) Образование огнеупорной оболочки (см. продолжение)

Рис. 3.1. Литье по выплавляемым моделям заготовки «Шар» из легированной стали (основные технологические операции, продолжение): г) Выплавление модельного состава (блока), д) Засыпка формы кварцевым песком, е) Прокалка формы в печи, ж) Заливка металла в форму

Третий этап ТП - залить металл в форму ( рис.3.1,ж). После прокалки форму извлекают из печи и без охлаждения заливают расплавленным металлом. Заливка металла в раскаленные формы способствует получению тонкостенных отливок сложной геометрической формы. Заливка осуществляется ручными ковшами небольшой емкости. Возможна заливка форм центробежным способом.

Четвертый этап - выдержать металл в форме для затвердевания и охлаждения.

Пятый этап - выбить блок отливок из формы. После затвердевания и охлаждения отливок в форме контейнер переворачивают, песок (послеохлаждения) возвращают для повторного использования, блок отливок с керамикой окончательно охлаждают.

Шестой этап - выполнить финишную обработку. Она включает, как правило, отделение керамики, отделение литников, выщелачивание остатков керамики, промывку в горячей воде, сушку, термообработку, зачистку, контроль отливок. Керамику от отливки отделяют на виброустановках, однако на некоторых поверхностях и в отверстиях керамика остается. После этого отливки отделяют от литниковой системы и помещают в расплав щелочи для окончательного удаления остатков керамики (время выщелачивания до 3-х часов). Очищенные отливки промывают горячей водой, высушивают, зачищают заусенцы и остатки литниковой системы, подвергают окончательному контролю.

Достоинства процесса:

- высокие точность и качество поверхности отливки, позволяющие на 80% и более исключить последующую механическую обработку;

- снижение себестоимости сложных деталей на 30-70%;
- возможность получения сложных тонкостенных отливок (до 0,6 мм) из сталей и твердых сплавов;

- отсутствие, в большинстве случаев, литейных стержней;

- высокая производительность в условиях массового производства - до 100 блоков в час;

- возможность полной автоматизации (наличие автоматизированных линий, агрегатов, установок);

- значительное улучшение условий труда.
Недостатки процесса:

- высокая себестоимость 1 тонны литых заготовок - в 10 и более раз выше, чем при литье в песчано-глинистые формы;

- сложность технологического процесса и длительность технологического цикла;

- ограничение отливок по размерам (до 250 мм) и массе (до 10 кг).

Литье в оболочковые формы

При этом способе литья расплавленный металл заливают в тонкостенные оболочковые формы, изготовленные из песчано-смоляных смесей по нагреваемой оснастке. Толщина оболочковых форм от 5 до 20 мм, форма состоит из 2-х полуформ, которые, как правило, склеиваются. Применяют оболочковые формы как с вертикальной, так и с горизонтальной плоскостями разъема. Для получения внутренних полостей отливок используют песчано-смоляные оболочковые (тонкостенные), либо монолитные стержни. Форма и стержни имеют высокую газопроницаемость, что способствует хорошему заполнению формы металлом, получению тонкостенных отливок.

Оболочковая смесь состоит из сухого кварцевого формовочного песка (основа смеси) и порошкообразной фенолоформальдегидной термореактивной смолы (5-7% по массе).

Применяют либо механические смеси, либо плакированные. В последнем случае смола наносится на поверхность зерен песка по специальной технологии. Термореактивная смола при нагревании расплавляется, а затем необратимо затвердевает. Термостойкость затвердевшей смолы свыше 700 °С.

Оболочковые формы изготавливают по нагреваемой металлической оснастке бункерным, насыпным, либо пескодувным способами. Широкое применение в промышленности нашел бункерный способ, который обес- печивает лучшее качество оболочковых форм. Оболочковые полуформы изготавливают одновременно: на одной подмодельной плите монтируют две полумодели. Материал моделей - сталь, серый чугун.

Литье в оболочковые формы применяют при производстве ответственных отливок из стали, серого и высокопрочного чугунов, бронзы, латуни в условиях серийного и массового производства (коленчатые валы и: высокопрочного чугуна, гильзы ребристых цилиндров из серого чугуна для тракторных двигателей и мотоциклов, детали гидронасосов, рабочие и направляющие колеса турбонасосов, звенья цепей из жаростойкого сплава вентили и др.). Способ применяется в промышленности с начала 50-х годов.[2,4,5,6,7,11,12].

Технологический процесс литья в оболочковые формы можно разделить на 6 основных этапов.

Первый этап - выплавить жидкий металл - определяется в основном видом заливаемого сплава. Для плавки, в частности, черных металлов широко используются дуговые электропечи. Заливка металла в формы (третий этап) осуществляется с помощью чайниковых ковшей средней емкости (до 500 кг).

Специфику ТП определяет в основном второй этап - изготовить оболочковую форму. Этот этап включает 6 основных операций:

изготовить оболочковую смесь,

изготовить стержни,

изготовить оболочковые полуформы,

собрать и склеить оболочковую форм,

охладить и установить оболочковую форму в контейнер,

засыпать форму дробью.

Среди указанных операций наибольший интерес представляет операция - изготовить оболочковые полуформы, включающая 7 технологических переходов.

Первый переход - подготовить модельный комплект и бункер -включает подогрев подмодельной плиты, нанесение разделительной жидкости, засыпку в бункер оболочковой смеси. Подмодельную металлическую плиту с моделями, изготовленными из углеродистой стали или серого чугуна, подогревают до рабочей температуры 220...250°С в электропечи. Для уменьшения адгезии, рабочую поверхность плиты и моделей покрывают силиконовой разделительной жидкостью (водный раствор) с помощью пульверизатора.

Второй переход - установить модельный комплект на бункер (рис.3.2,а). Нагретую подмодельную плиту устанавливают на водоохлаждаемый бункер (моделями книзу) и закрепляют.

Третий переход - кантовать бункер на 180 градусов, сформировать оболочку (рис.3.2,б). При кантовании бункера оболочковая смесь падает на нагретые подмодельную плиту и полумодели. При этом иногда применяют вибрацию подмодельной плиты, что улучшает заполнение оболочковой смесью узких участков моделей. При контакте с нагретой оснасткой оболочковая смесь прогревается, смола расплавляется и необратимо затвердевает, скрепляя песчинки смеси. По мере прогрева толщина оболочки увеличивается. За 30 секунд формируется оболочка толщиной 8-10 мм.

Четвертый переход (рис.3.2,в) - вернуть бункер в исходное положение, сбросить излишки смеси. При возвращении бункера в исходное положение оболочковая смесь падает на дно бункера, а сформировавшаяся оболочка удерживается на поверхности подмодельной плиты и полумоделей за счет сил адгезии.

Пятый переход (рис.3.2,г) - снять модельный комплект с бункера. Подмодельную плиту (с оболочкой) снимают с бункера, кантуют на 180 градусов и направляют в электрическую печь.

Шестой переход (рис.3.2,д) - установить модельный комплект в печь, доотвердить оболочку. Температура в печи 300°С, время выдержки 30-60 с. При нахождении в печи наружные слои оболочки окончательно отвердевают.

Седьмой переход (рис.3.2,е) - снять оболочковые полуформы самодельного комплекта. Оболочковые полуформы снимают с подмодельной плиты и полумоделей с помощью многочисленных толкателей (диаметром 10-20 мм.), проходящих через плиту и полумодели и объединенных общей толкательной плитой, которая приводится в движение специальным механизмом. Толкатели нажимают на оболочку вне рабочей полости литейной формы, как правило, по периферии формы с шагом 50-100 мм.

Четвертая операция ТП изготовления оболочковой формы - собрать и склеить оболочковую форму (рис.3.2,ж). Оболочковые полуформы склеивают в горячем состоянии. В качестве клея используют ту же фенолоформальдегидную смолу в виде порошка. Клей засыпают в специальную канавку, располагаемую обычно по периферии плоскости формы. В другой полуформе выполняют выступ, располагаемый по тому же контуру. При сборке двух полу форм клей под действием тепла полуформ расплавляется, распределяется в зазоре между канавкой и выступом (0,5 мм) и затвердевает. Полуформы склеивают на пневмопрессе. Полуформы сжимаются между неподвижной и подвижной плитами пресса с помощью большого числа мягких стальных пружин. Время склейки 30-60 секунд. При необходимости в форму устанавливают песчаные оболочковые или монолитные стержни.

Пятая операция - охладить и установить оболочковую форму в контейнер. После склейки оболочковые формы обычно укладывают на стеллажи, где они охлаждаются до комнатной температуры, обретая окончательную прочность. Склеенную и охлажденную оболочковую форму устанавливают в металлический контейнер в вертикальном (или в горизонтальном - при горизонтальной плоскости разъема формы) положении.

Шестая операция - засыпать форму дробью (рис.3.2,з). Установленную в контейнер оболочковую форму засыпают снаружи чугунной дробью. Диаметр дроби - 2-4 мм. Дробь служит опорой для оболочковой формы в момент заливки расплавленного металла. Однако главная функция чугунной дроби - ускорение процесса затвердевания и охлаждения отливки с целью повышения механических свойств заливаемого металла.

Третий этап ТП - залить металл в форму. Оболочковая форма хорошо заполняется металлом благодаря её низкой теплопроводности и хорошей газопроницаемости.

Четвертый этап ТП - выдержать металл в форме для затвердевания и охлаждения. Благодаря чугунной дроби процесс затвердевания и охлаждения отливки в форме значительно ускоряется, что способствует повышению механических свойств металла. При затвердевании и охлаждении отливки в форме стенки оболочковой формы сильно разогреваются, смола частично выгорает, форма разрушается.

Пятый этап ТП- выбить отливку из формы (выбивка). Контейнер опрокидывают на выбивную решетку, чугунная дробь возвращается для повторного использования, части оболочковой формы идут на выброс (в отвал), отливку направляют на охлаждение и финишную обработку.

Шестой этап ТП - выполнить финишную обработку. По содержанию эта операция мало отличается от финишной обработки отливок при литье в песчано-глинистые формы.

Достоинства процесса:

- повышенные точность и качество поверхности отливки;

- возможность получения сложных тонкостенных отливок из черных сплавов (серый чугун до 1,5 мм, сталь - до 3 мм);

- высокая производительность в условиях массового производства -до 300 форм в час;

- возможность полной автоматизации (наличие одного - двух - четырех позиционных автоматов, автоматических линий)

Недостатки процесса:

- нерешенность вопросов экологии: значительные выделения вредных газов на всех этапах технологического процесса, большой объем отходов, высокая стоимость газоочистки и регенерации отходов;

- высокая стоимость фенолоформальдегидной смолы;

- ограничение отливок по размерам (до 1000 мм) и массе (до 100 кг).

а) Установить модельный б) Кантовать бункер на 180°, в) Вернуть бункер в г)Снять модельный

комплект на бункер сформировать оболочку исходное положение комплект с бункера

д) Доотвердить полуформы е) Снять оболочковые ж) Склеить оболочковую

в печи полуформы с моделей форму з) Засыпать форму дробью

Рис. 3.2. Схемы технологических переходов (а...е) и операций (ж… л) процесса изготовления оболочковой формы: 1 - бункер. 2 - смесь оболочковая, 3 - плита подмодельная, 4 - плита толкательная, 5 - оболочка, 6 – электропечь, 7 – пружина, 8 - форма оболочковая, 9 - плита пресса, 10 - дробь чугунная, 11 - контейнер