Литье по выплавляемым моделям

Общие сведения о готовом связующем. В литье по выплавляемым моделям при изготовлении оболочковых форм в качестве связующего применяются гидролизованные растворы этилсиликата.

В том виде, в котором этилсиликаты поставляются предприятиями химической промышленности, они не являются связующими. Для  технологических целей литейного  производства в условиях литейного  цеха связующее приготовляют путем  проведения сложной химической операции – гидролиза этилсиликата. При  этом из-за нестабильности состава  исходного этилсиликата приходится корректировать рецептуры, обеспечивать точную дозировку составляющих суспензии.

Изготовление оболочковых форм. Суспензия наносится на блоки моделей при их окунании в ванну с суспензией, а на крупные блоки и модели – путем их обливания. В зависимости от характера производств и степени механизации блок моделей погружают в ванну вручную, с помощью манипуляторов или копирных устройств на цепных конвейерах. Блок погружают таким образом, чтобы с поверхности моделей, особенно из глухих полостей и отверстий, могли удалиться пузырьки воздуха. Вынутый из суспензии блок моделей медленно поворачивают в разных направлениях, чтобы суспензия равномерно распределилась по поверхности моделей, а излишки ее стекли. После этого на слой суспензии сразу наносится  слой песка (между моментами нанесения суспензии и обсыпкой должно быть не более 10 с, так как долее суспензия подсохнет и песок не соединится с ней). Суспензию в ванне непрерывно перемешивают с небольшой скоростью для предотвращения оседания огнеупорного материала. Песок на слой суспензии наносится при погружении блока в «кипящий» слой песка.

На  рисунке представлена схема установки  для обсыпки блока моделей  в кипящем слое песка. Установка  состоит из емкости с песком, в  нижней части которой расположена  полость 2, в которую подводится сжатый воздух. Полость 2 отделена от емкости 1 сеткой, на которой уложен слой войлока. Воздух, проходя через песок, переводит его во взвешенное «кипящее» состояние. Блок моделей 3, предназначенный для обсыпки, погружают в этот слой кипящего песка.

После нанесения каждого слоя суспензии  и обсыпки его выполняется  сушка оболочковых форм. Форму  высушивают в потоке воздуха или  в парах аммиака. Во время сушки  на воздухе завершаются процессы гидролиза, происходит испарение растворителя и воды, коагуляция золя кремниевой кислоты и превращение его  в гель с последующим затвердеванием и образованием твердых прослоек, связывающих зерна огнеупорного пылевидного материала.

Продолжительность сушки и обсыпки каждого слоя суспензии на воздухе 2..4 ч, а в парах аммиака – 50..60 мин, из которых 20..30 мин – сушка на воздухе, 10..20 мин – сушка в парах аммиака и 10..20 мин – выветривание паров аммиака. Сушку ведут в вертикальных и горизонтальных многоярусных сушилках.

Удаление  моделей.  Модели из выплавляемых воскообразных составов удаляют из формы погружением блока моделей в горячую воду или ванну с модельным составом. Эти способы получили наибольшее применение  на производстве. Возможно удаление выплавляемых моделей также в паровых автоклавах или горячим воздухом. Эти способы вследствие больших потерь модельного состава и сложности оборудования применяют редко.

Выплавление в воде позволяет получить 90..95% возврата модельного состава, однако достаточно большой является вероятность появления  трещин в оболочке.

Выплавление в перегретом модельном составе  позволяет повысить прочность оболочковой  формы в непрокаленном состоянии  благодаря пропитке ее модельным  составом. При прокаливании оболочковой  формы воскообразный состав в  ее порах коксуется и дополнительно упрочняет форму. Однако вследствие перегрева ухудшается качество возврата.

Выплавление горячим воздухом используют для  модельных составов канифоль-полистирол-церезин. Для уменьшения вероятности образования  трещин в оболочковой форме ее формуют в жидкой формовочной  смеси. Затем форму высушивают при 80..90°С в течение 10 ч, и в процессе нагрева до 200..220°С модели выплавляются.

Растворимые карбамидные составы растворяют в воде при 20..27°С. Так как модельный состав не расширяется, трещин в оболочковой форме не образуется.

Пенополистироловые  выжигаемые модели могут быть удалены  из формы выжиганием в процессе ее нагрева вместе с модельным блоком или путем растворения.

Формовка. Для предотвращения разрушения оболочковой формы при заливке ее заформовывают в сыпучие огнеупорные материалы или жидкие формовочные смеси. В качестве опорных материалов используют сухой кварцевый песок, шамотный порошок, размолотые и просеянные через сито с ячейкой 2 мм остатки оболочки после очистки отливок.

В производстве используют два способа  формовки оболочковых форм в сыпучие  опорные материалы: в холодном и нагретом состоянии форм и опорных материалов.

Прокаливание  оболочковых форм. Данная операция необходима для полного удаления из форм остатков модельного состава, испарения остатков воды и продуктов неполного гидролиза связующего, а также спекания связующего и огнеупорного пылевидного материала. Во время прокаливания в стенке оболочковой формы образуются поры и микротрещины, благодаря чему возрастает газопроницаемость оболочки. Оболочковые формы без опорных материалов прокаливают в течение 0,5..1 ч. Тонкая стенка формы быстро прогревается снаружи и изнутри, в ней возникают лишь минимальные напряжения и микротрещины, не оказывающие существенного влияния на ее прочность.

1.5 Заливка форм, выбивка и очистка отливок

Заливка форм. Температура форм перед заливкой зависит от толщины стенок и материала отливки. Обычно расплав заливают в горячие (700..1600°С) формы сразу после их прокаливания стали и жаропрочные сплавы для тонкостенных отливок заливают при температуре формы 1520..1600°С, медные сплавы – при 900..1100°С, алюминиевые сплавы – 700..800°С. При изготовлении отливок с массивными стенками расплав заливают в охлажденные до 200..400°С формы, что способствует улучшению структуры отливок.

При изготовлении тонкостенных отливок  из жаропрочных сталей и сплавов, склонных к окислению, плавку ведут  в вакуумных плавильно-заливочных установках. Установка  такого типа имеет камеру, в которой располагается  печь 4 для подогрева оболочковых  форм 5 перед заливкой расплава. Форму  устанавливают перед плавкой  в печь подогрева. После приготовления  расплава форму 5 перемещают вместе с  печью 4 подогрева на позицию заливки  и заливают расплавом.

При изготовлении тонкостенных отливок  из сплавов, обладающих пониженной жидкотекучестью, заливку форм 5 для улучшения их заполняемости проводят центробежным способом, размещая центробежную машину 6 в вакуумной камере 1 плавильно-заливочной установки.

Выбивка форм и очистка отливок. Оболочковые формы без опорного материала после заливки и охлаждения отливки поступают на предварительную очистку. Формы, упрочненные сыпучим материалом, легко выбиваются при опрокидывании контейнеров на провальную решетку, а формы с жидким упрочняющим материалом выбивают на выбивных решетках.

Предварительную очистку отливок от оболочки формы  выполняют на вибрационных установках. Стояк литниково-питающей системы  зажимают в приспособлении и включают вибратор: под действием вибрации оболочка формы отделяется от отливки.

Окончательная очистка отливок необходима по следующим  причинам. Во время предварительной  очистки отливок остатки формы  полностью отделяются только на плоских  отливках без отверстий и поднутрений. Чаще применяют гидроабразивный, электроискровой, химический, химико-термический, гидравлический способы окончательной очистки  отливок.

 

 

 

 

 

 

 

2. Литье по газифицируемым моделям

Суть способа. Эту  развивающуюся технологию можно отнести к группе способов получения отливок в неразъемных формах по разовой модели как литье по выплавляемым моделям. Но в отличие от данных сходных способов модель удаляется (газифицируется) не до заливки, а в процессе заливки формы металлом, который, вытесняя «испаряющуюся модель» из формы, занимает освободившееся пространство полости формы.

Собранную модель (рис. а) окрашивают слоем огнеупорной краски и сушат на воздухе. В итоге получается огнеупорная газопроницаемая оболочка, прочно связанная с пенополистироловой 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 (рис. б).

При изготовлении более 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 жидкокоподвижные или сыпучие формовочные смеси.

Приготовленную  форму заливают жидким металлом (рис. в). Из-за относительно низкой температуры газификации пенополистирола (около 560°С) модель газифицируется под воздействием теплоты заливаемого металла и таким образом полость формы постепенно освобождается для жидкого металла.

После затвердевания  и охлаждения отливки опоку-контейнер  переворачивают, наполнитель высыпается, отделяясь от отливки, и она (рис. г) поступает на финишные операции. В случае использования обычных  формовочных смесей форму выбивают на выбивных решетках.

Главная особенность  способа (применение неразъемной формы) определяет его основное преимущество для качества готовых отливок  – повышение точности благодаря  сокращению числа частей формы, стержней, а следовательно, и возможных  искажений конфигурации и размеров отливок, связанных с изготовлением  и сборкой этих элементов формы.

К настоящему времени областями применения литья  по газифицируемым моделям являются следующие:

• Изготовление средних и крупных массивных отливок в условиях опытного и мелкосерийного производства;
• Изготовление сложных отливок  массой до 50 кг с повышенной точностью размеров в условиях серийного и крупносерийного производства из черных и цветных сплавов.

Модельные материалы.В качестве материала для изготовления газифицируемых моделей служит вспенивающийся полистирол, который представляет собой  синтетической полимерный продукт суспензионной полимеризации стирола в присутствии эмульгатора, стабилизатора и порообразователя. В качестве порообразователя чаще всего используют изопентан. При нагреве до 27,9°С изопентан закипает и превращается в газ с увеличением объема, а при 80..90°С полистирольная оболочка размягчается под действием давления газа деформируется. При вспенивании гранул в замкнутом объеме они спекаются  в монолитную пеномассу – пенополистирол, точно воспроизводя конфигурацию ограничивающей его рост конструкции.

Изготовление газифицируемых моделей. Процесс получения моделей в массовом и крупносерийном производстве состоит из двух стадий: предварительное вспенивание в свободном состоянии исходных гранул вспенивающегося полистирола и окончательное вспенивание гранул в замкнутой полости пресс-формы – получение модели из пенополистирола.

Предварительное вспенивание гранул. Предварительная тепловая обработка вспенивающегося полистирола необходима для получения впоследствии газифицируемой модели с заданной объемной массой (плотностью),которая определяет прочность модели и качество поверхности.

На рисунке  показана установка непрерывного действия для предварительного вспенивания  гранул полистирола. Гранулы полистирола  загружают в бункер 4, из которого с помощью тарельчатого питателя они попадают в камеру вспенивания, обогреваемую паром. В процессе вспенивания  гранулы продвигаются в ней с  помощью шнека. Режим вспенивания  регулируется подачей пара и скоростью  прохождения гранул полистирола  по камере. Температура вспенивания 96..98°С, продолжительность 1..2 мин.

После предварительного вспенивания гранулы выдерживают  на воздухе от 6 ч до 2 сут. В этот период оболочка гранул, охлаждаясь, вновь  переходит в стеклообразное твердое состояние, а пары изопентана конденсируются, что приводит к возникновению вакуума в гранулах.  В процессе выдержки происходит диффузия воздуха внутрь гранул и давление выравнивается.

Изготовление  моделей в пресс-форме. Процесс  заключается в повторном нагреве  подвспененных и активированных гранул полистирола, помещенных в пресс-форму, в результате которого они окончательно вспениваются и спекаются между  собой, образуя пенополистироловую  модель отливки.

Подготовленные  гранулы засыпают или задувают сжатым воздухом в смазанную специальной  смазкой (чтобы исключить прилипание к модели) рабочую полость пресс-формы  так, чтобы они полностью заполнили  ее объемы. Смазками служат: раствор  синтетического термостойкого каучука (СТК), силиконовая жидкость, глицерин. Смазка рабочей поверхности пресс-формы  кремнийорганическими соединениями позволяет  получать 10-15 моделей без ее возобновления.

Нагрев гранул в крупносерийном и массовом производстве целесообразно проводить способом так называемого  «теплового удара»: перегретый пар с температурой 125..135°С под давлением 0,2..0,35 МПа подают непосредственно в пресс-форму, заполненную гранулами полистирола. Проходя между гранулами, турбулентный поток пара интенсивно вытесняет воздух, находящийся в порах засыпки, и равномерно по всему объему нагревает полимерный материал, который окончательно вспенивается; образующийся конденсат под действием расширяющихся гранул отжимается к стенкам пресс-формы и удаляется через специальные дренажные отверстия.