Формы в точном литье


Л. Г. Знаменский, О. В. Ивочкина





                ФОРМЫ В ТОЧНОМ ЛИТЬЕ




Монография




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.74.01/.04
ББК 34.61+34.56
      3-72



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, академик Российской академии естественных наук, профессор Южно-Уральского государственного аграрного университета Ерофеев Валерий Владимирович;
доктор технических наук, профессор, профессор Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина Мысик Раиса Константиновна







     Знаменский, Л. Г.
3-72    Формы в точном литье : монография / Л. Г. Знаменский, О. В. Ивоч-
     кина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 228 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0900-1

      Представлены теоретические и технологические основы процессов ускоренного формообразования с применением плакированных гелеобразователем обсыпок и закрепляющих растворов. Представлены прогрессивные технологии изготовления форм на АБФК и способы ультразвуковой обработки гипсокремнеземистых суспензий для литья по выплавляемым моделям.
      Для инженерно-технических работников и ученых-литейщиков при изучении современных технологических процессов изготовления точных отливок. Может быть полезно студентам металлургических направлений подготовки.

УДК 621.74.01/.04
ББК 34.61+34.56









ISBN 978-5-9729-0900-1

   © Знаменский Л. Г., Ивочкина О. В., 2022
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        ВВЕДЕНИЕ


     Современный этап научно-технического прогресса объективно поднимает комплексную проблему разработки и освоения в производстве высоких технологий в базовых отраслях промышленности. В этом отношении представляют теоретический и практический интерес процессы формообразования для литья по выплавляемым моделям. Эти прогрессивные способы обеспечивают получение точных отливок, но по-прежнему являются длительными, многооперационными и трудоемкими. В монографии представлены новые перспективные процессы ускоренного формообразования в точном литье, используемом в самых различных областях: металлургии, машиностроении, аэрокосмическом комплексе, художественном и ювелирном литье и др.
     Решение проблемы ускорения формообразования в литье по выплавляемым моделям проводилось в направлении создания прогрессивных технологических процессов изготовления керамических форм с применением плакированных гелеобразователем обсыпок и закрепляющих растворов, замены этилсиликатного связующего на алюмоборфосфатный концентрат, использование гипсокремнеземистых суспензий и их ультразвуковой обработки.
     В связи с этим в монографии представлены теоретические основы сложных физико-химических процессов, протекающих при формообразовании, в том числе, при использовании мощного ультразвука. Это создает условия для целенаправленного воздействия на процессы дегазации и структурирования суспензий, а, следовательно, изготовления керамических форм с заданным комплексом свойств в точном литье.
     Работа проводилась в рамках исследований Российской академии естественных наук и академии технологических наук РФ. Их результаты легли в основу целого ряда изобретений в области литейного производства.

3

        1. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ В ТОЧНОМ ЛИТЬЕ

   Современное развитие мировой промышленности диктует необходимость применения кардинально новых технологий и материалов в изготовлении высокоточных, сложнопрофильных и тонкорельефных отливок.
   К их числу относится широкая группа отливок, начиная с художественных и ювелирных и заканчивая литыми заготовками ответственного назначения для нужд приборостроения, машиностроения, аэрокосмического комплекса и др.
   Многовековые традиции отечественных мастеров литейного дела, передающиеся из поколения в поколение, послужили основой для создания художественных изделий, поражающих воображение людей своей выразительностью и грацией. В тоже время все более возрастающий спрос на художественное и ювелирное литье, а также на точные промышленные литые изделия, провоцирует создание отливок повышенной сложности, что в свою очередь определяет высокие требования к качеству применяемых при их изготовлении керамических форм и стержней.
   В настоящее время широкое распространение получил метод литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) в объемные и оболочковые керамические формы, позволяющий получать тонкостенные отливки с высоким качеством поверхности и точностью рельефа [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Образующийся при изготовлении отливок методом ЛВМ брак связан в первую очередь с низким качеством форм, вызванных несовершенством технологии их изготовления и особенностями используемых при этом материалов [7, 8].
   В этой связи в ходе изучения отечественной и зарубежной научнотехнической литературы проведен анализ применяемых технологических процессов точного формообразования и отвечающих современным требованиям материалов. По его итогам сформулированы цель и задачи исследований.
   Основным объектом исследований в настоящей работе является точное тонкорельефное литье по выплавляемым моделям, ярким примером которого является изготовление художественных отливок. Художественное литье - один из прекраснейших видов искусства, зародившийся в глубокой древности, около 5000 лет до нашей эры. Развиваясь параллельно человеческой цивилизации, оно не перестает удивлять воображение людей творческими достижениями. Литьем создаются поражающие красотой и изяществом кабинетные, монументальные, архитектурные и другие произведения, которые можно встретить в каждом городе, в парках и на площадях в виде памятников и уличных интерьеров.
   При этом художественное и ювелирное литье долго выступало, как своеобразный индикатор развития литейного производства, давало толчок к его прогрессу, вызывало взаимопроникновение технологий.

4

1. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ В ТОЧНОМ ЛИТЬЕ

   Проведенный анализ известных способов литья [9, 10, 11, 12, 13] показывает, что наиболее перспективным для изготовления художественных отливок, отличающихся повышенными требованиями к чистоте и точности рельефа поверхности, является метод литья по выплавляемым моделям [14, 15, 16, 17].
   Однако до настоящего времени этим прогрессивным способом получают кабинетные художественные отливки лишь мелких и средних размеров, массой от 0,2 до 2,0 кг. Представляющие наибольшую художественную ценность крупногабаритные отливки, такие как «Конь с попоной», «Весна с Амуром», «Мефистофель» и другие по-прежнему изготавливают на Уральских заводах литьем в кусковые песчано-глинистые формы.
   Процесс формообразования в кусках, предусматривающий метод уплотнения смеси вручную, характеризуется низкой производительностью, повышенной сложностью и трудоемкостью, требует высокой квалификации формовщиков, а главное, не обеспечивает на сегодня необходимое качество поверхности художественных отливок из чугуна вследствие развитых процессов пригарооб-разования и заливов по разъемам.
   Начало промышленного освоения метода ЛВМ относится к 1940-1942 гг. и связано в основном с необходимостью получения из труднообрабатываемых жаропрочных сплавов лопаток авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). По мере развития и совершенствования процесса усложнялась конструкция изготовляемых по выплавляемым моделям отливок. Так, в начале 60-х годов из жаропрочных сплавов на никелевой основе изготовлялись уже крупные цельнолитые роторы с бандажным кольцом. Нужно отметить, что в начальной стадии промышленного освоения метода ЛВМ использовали весьма сложный и трудоемкий процесс, основанный на применении дорогих исходных материалов -натуральных восков, суспензий с гидролизованными растворами этилсиликата в качестве связующего. Ввиду длительности процесса (до нескольких суток) и высокой стоимости получаемых отливок метод имел ограниченное применение.
   Благодаря непрекращающейся во всем мире работе по совершенствованию технологического процесса литья по выплавляемым моделям удалось значительно расширить возможности этого метода литья, сделать высокоэффективным его применение в условиях серийного и массового производства.
   На современном этапе, благодаря преимуществам по сравнению с другими способами изготовления отливок, промышленное применение ЛВМ обеспечивает получение практически из любых литейных сплавов сложных по форме отливок массой от нескольких граммов до десятков килограммов, со стенками толщиной менее 1 мм, с шероховатостью от Rz = 20 мкм до Ra = 1,25 мкм (ГОСТ 2789-73) и высокой размерной точностью.
   В процессе развития ЛВМ выделились его две основные разновидности: литье в многослойные оболочковые и литье в объемные наливные керамические формы. Каждая имеет свои преимущества, учитывая которые можно выбрать оптимальный способ литья для конкретных условий производства, с получением отливок с заданными свойствами и минимальными затратами.

5

ФОРМЫ В ТОЧНОМ ЛИТЬЕ

   Уникальные возможности ЛВМ позволяют максимально приблизить отливку к готовой детали, а в ряде случаев получить литую деталь, дополнительная обработка которой перед сборкой не требуется [5]. Вследствие этого резко снижаются трудоемкость и стоимость изготовления изделий, уменьшается расход металла и инструмента, экономятся энергетические ресурсы, сокращается потребность в рабочих высокой квалификации, в оборудовании, приспособлениях, производственных площадях. Применение литья по выплавляемым моделям открывает перед конструкторами возможности проектировать сложные тонкостенные конструкции, объединять различные детали в комплексные цельнолитые узлы, уменьшая массу и габариты изделий, создавать детали, невыполнимые каким-либо другим методом обработки металла.
   Наряду с очевидными достоинствами литья по выплавляемым моделям известные технологии по-прежнему характеризуются длительным циклом формообразования, многооперационностью, повышенными затратами на применяемые материалы и оборудование, вредными экологическими условиями. Поэтому перспективы развития этого прогрессивного способа получения точных отливок из чёрных и цветных сплавов связаны с разработкой принципиально новых технологических процессов, использованием современных материалов и оборудования, позволяющих наряду с высоким качеством поверхности литых заготовок обеспечить ускоренный цикл изготовления с улучшенными экономическими и экологическими показателями.
   В производстве точных отливок распространение получило литье по выплавляемым моделям в многослойные оболочковые керамические формы. В качестве связующих при производстве таких форм в основном используются гидролизованные растворы этилсиликата (ГРЭТС) и жидкое стекло (ЖС) [5, 9, 13, 18], а в качестве наполнителей и обсыпочных материалов применяют: кварц кристаллический SiO2, электрокорунд белый а-А1гОз, муллит 3Л120з-2810г и другие. Согласно литературным источникам [5, 19, 20, 21, 22] высокое и стабильное качество форм обеспечивается при применении связующих, полученных гидролизом этилсиликата (ЭТС) в среде органических растворителей. Однако, такой способ подготовки связующего является дорогостоящим и ухудшает условия труда в цехе (использование этилового спирта, ацетона ит. д.) [23, 24].
   Были предприняты попытки решения указанной задачи с помощью частичной замены спирта водой [25]. Полученные связующие имели стабильные свойства, но уровень физико-механических характеристик получаемых форм не обеспечивал изготовления крупногабаритных сложнопрофильных отливок.
   В источниках [26, 27] сообщается о попытках частичной или полной замены дорогих и экологически опасных этилсиликатных связующих материалов водными коллоидными растворами частиц кремнезема размером 8...10 нм, являющихся готовыми связующими. Однако керамические формы с использованием указанного материала обладают низкой прочностью по сравнению со стандартными формооболочками на этилсиликате, поэтому требуют нанесения больше

6

1. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ В ТОЧНОМ ЛИТЬЕ

го количества огнеупорных слоев, что повышает трудоемкость изготовления и исключает возможность их использования при изготовлении крупных отливок.
   Улучшить экологическую обстановку в цехе с сохранением заданных физико-механических характеристик керамических оболочковых форм [24, 28, 29] позволяет использование при их производстве готовых этилсиликатных связующих (ГС-20Э, ГС-12И (Россия); Silester (Англия), VP (ФРГ)). Однако поставляемые партии отечественных связующих не имеют стабильных свойств, требуют особых условий хранения, а получаемые оболочки склонны к расслоению. Импортные же готовые связующие являются дорогими и их использование зачастую экономически не обосновано.
   Подготовка этилсиликатного связующего непосредственно в литейных цехах путём гидролиза ЭТС без органических растворителей [30, 31] имеет определенное преимущество перед классической технологией, но не обеспечивает стабильность прохождения реакции гидролиза этилсиликата, что негативно сказывается на свойствах готовых связующих и суспензий. Следовательно, необходимый уровень физико-механических характеристик керамических форм и стержней оказывается не достигнутым [5, 32].
   Альтернативой этилсиликату с точки зрения экономической эффективности и улучшения экологии является жидкостекольное связующее. Жидкое стекло -недорогой, нетоксичный и недефицитный материал. Несмотря на это его широкое применение в технологиях литья по выплавляемым моделям для рабочих лицевых слоёв огнеупорной оболочки сдерживается из-за недостаточной смачивающей способности, низкой термопрочности керамических форм, их повышенной химической активности и нарушения точности получаемых отливок [5, 33, 34, 35].
   Улучшить свойства жидкого стекла позволяет повышение его модуля за счёт снижения содержания Na2O. Для этого его подвергают обработке растворами неорганических кислот (HCl, H2SO4, HNO3, H3PO4) [13, 36]. Однако, при этом ухудшаются санитарно-гигиенические условия труда, наблюдаются низкая живучесть и повышенная склонность жидкостекольной суспензии к огеливанию.
   Известен способ получения высококремнезёмного жидкостекольного связующего, основанный на модифицировании ЖС твёрдым коллоидальным кремнезёмом или высокомолекулярными соединениями в автоклаве [37, 38, 39]. Однако, такой метод подготовки связующего является нецелесообразным при небольших объёмах производства, из-за резкого сокращения времени его хранения [38].
   Повышение модуля жидкого стекла обесщелачиванием на ионообменных смолах [13, 40] является трудоёмким и невыгодным для предприятий-потребителей, но широко используется при централизованном производстве коллоидных растворов кремнезёма (кремнезоли) («Bayer AG» (Германия), «Ludex» (США), «Syton» (Англия), «Сизоль» и «Сиалит» (Россия)). Наилучшими технологическими свойствами обладает кремнезоль «Ludex», однако приго

7

ФОРМЫ В ТОЧНОМ ЛИТЬЕ

товление суспензии с его использованием длится более 24 часов [41]. Применение связующего «Syton» требует добавление смачивающего ацетона и пеногасителя (n-октиловый спирт) [33], что отрицательно влияет на экологию производства. Кроме того, импортные кремнезоли могут вызывать раздражение кожи и глаз. Связующие отечественных марок «Сизоль» и «Сиалит» обладают высокой седиментационной устойчивостью и живучестью [39, 42, 43]. Однако, опыт использования на предприятии ООО «ЧТЗ-Уралтрак» показал, что указанные кремнезоли и суспензии на их основе плохо смачивают модели и коагулируют при перепадах температур [39, 44].
   Перспективным способом улучшения технологических свойств жидкого стекла за счёт повышения его модуля представляется электродиализная обработка [45]. Установка для подготовки связующего малогабаритна и позволяет подготавливать любое количество связующего непосредственно на предприятии-потребителе. Широкое использование электродиализной обработки жидкого стекла сдерживается недостаточной эффективностью, поскольку сравнительно легко удаляются ионы натрия, находящиеся только в интермицеллярном слое коллоидных растворов. Более глубокое обесщелачивание ЖС требует больших энергетических затрат и времени [46].
   Применение ЖС для «упрочняющего» слоя оболочки, также не отвечает требованиям получения качественных отливок. При прокаливании ЖС плавится при 793 ⁰С, а размягчается при более низкой температуре, то есть наружный слой с этим связующим при прокаливании оболочки и заливке в нее стали теряет прочность. При охлаждении же до температуры ниже 600 ос прочность таких оболочек во много раз выше прочности их со связующим ЭТС, а усадка вследствие жидкостного спекания наружного слоя больше, чем слоев со связующими, получаемыми из ЭТС. Потеря прочности при нагреве оболочек и высокая прочность при одновременно высокой усадке остывающего наружного слоя оболочки всегда приводит к искажению контура отливок.
   В настоящее время в ЛВМ существует множество технологий, направленных на сокращение сроков формообразования. При использовании суспензии на этилсиликате для ускорения гелеобразования ЭТС-связующего применяют способы химического отверждения слоев: воздушно-аммиачную сушку, ваку-умно-аммиачную сушку, окунание формируемого слоя оболочки в растворы щелочей [5, 33] и др. Данные методы несколько сокращают цикл формообразования по сравнению с воздушной сушкой, но, в тоже время, вызывают неравномерное огеливание ЭТС-связующего в слое покрытия, приводящее к усадочным напряжениям и образованию микротрещин в пленке связующего, что значительно снижает потенциальную прочность керамической формы.
   При изготовлении оболочковых керамических форм на жидком стекле для сокращения сроков затвердевания, а также с целью повышения прочностных характеристик слоев жидкостекольного покрытия, проводят его химическое закрепление. В качестве закрепителей применяют водные растворы аммониевых солей, хлоридов алюминия или кальция, а также подкисленный соляной кисло

8

1. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ В ТОЧНОМ ЛИТЬЕ

той раствор оксихлорида алюминия [9, 33, 47]. В результате создаются условия для гелеобразования покрытия и некоторого улучшения физико-механических свойств керамических форм. Однако, вследствие низкой пропитывающей способности указанных растворов отверждение каждого слоя покрытия протекает лишь с поверхности. В процессе сушки происходит усадка, свободному прохождению которой препятствует неравномерность гелеобразования. В результате проходящей неравномерной усадки слоев покрытия в процессе сушки и возникающих при этом напряжений происходит развитие микротрещин в пленках связующего. Вследствие чего, происходит нарушение точности форм, снижающее качество отливок.
   В литейных процессах сплавов химически активных металлов (жаропрочные никелевые и титановые сплавы, сложнолегированные стали и другие) используют керамические корундовые формы, которые, до недавнего времени, в целом, удовлетворяли требованиям производства. Однако в качестве связующего такого рода суспензий используется ГРЭТС, который после прокалки «вносит» в литейную керамику термохимически неустойчивый при этих температурах в условиях вакуума кремнезем, что приводит к появлению поверхностных дефектов при формировании точных отливок ответственного назначения.
   Известны процессы подготовки бескремнеземного связующего «АЛЮМОКС», основанные на взаимодействии алюмоорганического соединения со спиртом и хелатирующим агентом [48]. Однако его приготовление имеет ресурсозатратный характер и характеризуется сложностью, многооперационностью, длительностью. При этом для обеспечения требуемых прочностных характеристик керамических форм необходимы повышенные температуры прокалки (1300...1400 ⁰С), что делает процесс их изготовления энергоемким.
   Таким образом, актуальным представляется разработка технологий ускоренного изготовления оболочковых керамических форм с необходимым комплексом физико-механических свойств, а также создание технологии получения корундовых форм на бескремнеземном связующем для точных отливок ответственного назначения из сплавов химически активных металлов.
   При литье цветных сплавов распространение получил метод литья по выплавляемым моделям в объемные наливные керамические формы.
   В художественном и ювелирном производствах всё чаще используют наливные формы на гипсовом связующем [6, 49, 50, 51]. При этом наибольшее распространение получили импортные смеси «К-90», «Satincast», «Supercast», «Ultra-vest» [52, 53], отечественные - «Ювелирная-1» и «Ювелирная-2» [54]. Однако, импортные смеси дороги, а отечественные, являясь узкоспециализированными на ювелирное литьё, не обеспечивают достаточного уровня физикомеханических свойств форм при изготовлении крупногабаритных тонкорельефных и сложнопрофильных отливок. Известные формовочные массы при их затворении имеют ограниченную продолжительность затвердевания, не позволяющую проводить эффективные внешние воздействия (вакуум, вибрация, уль

9

ФОРМЫ В ТОЧНОМ ЛИТЬЕ

тразвук) на соответствующие процессы формообразования при увеличении размеров литых заготовок.
   Перспективными в этом отношении являются разработанные в последнее время смеси на гипсовом связующем с металлофосфатными затворителями [55, 56, 57]. Используемые в них формовочные материалы недороги и доступны. Но низкая седиментационная устойчивость водного металлофосфатного затво-рителя ограничивает стабильность свойств смесей. Кроме того, использование таких формовочных масс позволяет получить высокое качество отливок только среднего развеса вследствие недостаточной прочности форм.
   Увеличить массу получаемых отливок позволяет использование гипса высокопрочных марок (например, Г-16 и выше), но они как связующие являются сравнительно дорогостоящим материалом, по причине наличия в Российской Федерации лишь одного крупного месторождения - Самарского [58].
   В качестве кристаллогидратных связующих материалов в литейном производстве наряду с гипсом используются также цемент и клинкер. Регулирование скорости твердения цементных смесей осуществляется за счет добавок соответствующих химических отвердителей [59]. Наливные самотвердеющие смеси (НСС) с клинкером имеют неплохую выбиваемость из отливок, так как в результате дегидратации кристаллогидратов при заливке металла смеси разупрочняются. Однако, эти смеси твердеют медленно, причем твердение стержней и форм идёт с образованием поверхностной корочки и поэтому во внутренней части стержней и форм смесь может быть сырой. Прочность таких смесей через 4 ч после приготовления составляет порядка 1,0.. .1,5 кгс/см² или (9,8...14,7)-10⁴ Па [60].
   Использование клинкера характеризуется его большим (10 %) расходом, необходимостью помола и малой скоростью твердения, поэтому такие НСС широкого распространения не получили. При дальнейших исследованиях клинкер был заменен на портландцемент. Необходимыми технологическими свойствами обладают многие цементы. Самые распространенные из них: цемент с содержанием 15.18 % трехкальциевого алюмината (цемент Щуровского цементного завода), а также глиноземистый цемент, содержащий пятикальциевый трехалюми-нат 5СаО-ЗА12Оз, однокальциевый алюминат СаО-АНОз и однокальциевый двухалюминат СаО-2АНОз [61, 62]. Монолитные формы на цементном связующем отличаются хорошим качеством поверхности и размерной точностью. Однако, входящий в состав цемента гипс, склонен к разложению при высоких температурах с образованием газообразных продуктов реакции, поэтому заливка черных сплавов в цементные керамические формы с низкой газопроницаемостью сопровождается повышенным браком отливок по газовым раковинам.
   Для изготовления монолитных керамических форм перспективным представляется использование суспензий на основе металлофосфатных связующих.
   История применения металлофосфатов в литейном производстве начинается с 60-х годов прошлого века. В это время в западных странах были запатентованы формовочные смеси с ортофосфорной кислотой, отверждаемые оксидом

10