Литье по выплавляемым моделям

Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) — это процесс получения от­ливок в неразъемных разовых огнеупорных формах, изготавливаемых с по­мощью моделей из легкоплавящихся, выжигаемых или растворяемых соста­вов. Используют как оболочковые (керамические), так и монолитные (гипсо­вые) формы. Таким образом, рабочая полость формы образуется выплавле­нием, растворением или выжиганием модели. Отливки, полученные методом ЛВМ, мало отличаются (по размерам и форме) от готовой детали. Этим спосо­бом можно получать сложные тонкостенные детали (например, охлаждаемые лопатки ГТД, художественные и ювелирные изделия). Литье по выплавляемым моделям осуществляют различными способами заливки: свободной, центробеж­ной, под низким давлением, с использованием направленной кристаллизации.

Модельные составы, применяемые при литье по выплавляемым моде­лям, должны обладать минимальными значениями усадки и коэффициента термического расширения, иметь высокую жидкотекучесть в вязкопластич-ном состоянии, хорошо смачиваться керамической или гипсовой суспензией, наносимой на модель, но химически с ней не взаимодействовать, обладать температурой размягчения, превышающей 40 °С. В табл. 14.1 приведена ха­рактеристика основных групп модельных составов.

При использовании широко распространенных воскообразных составов модели изготавливаются из расплавов или паст. Наряду с основными компо­нентами (парафин, стеарин и т. п., см. табл. 14.2) эти составы содержат син-

тетические полимеры (например, полютиленовый воск), повышающие теп­лоустойчивость и прочность моделей. Составы на основе натуральных и синтетических смол (см. табл. 14.2) по сравнению с составами первой груп­пы обладают большей прочностью и теплоустойчивостью.

Таблица 14.1. Классификация модельных составов*

Характеристика группы модельных составов	Примеры маркировки модельных *• составов
Воскообразные выплавляемые	ПС 50-50, ПБТТ, 25-35-35-5 (ВИАМ-102), ПБТТ, 25-45-25-5 (В-1), ПВКБ
Составы на основе натуральных и синтети­ческих смол	КЦЦД, 80-18-1,6-0,4 (МАИ-Зш), ЩЦ 50-30-20
Водорастворимые	КЛоМ, 95-2,5-2,5 (МПВС-2)
Выжигаемые (на основе компактных и вспе­нивающихся термопластов)	ПСВ (полистирол вспенивающийся), полистирол блочный
Выплавляемые, с твердыми наполнителями	ОН-1,ОН-2,ОН-3,МВ
Эмульсионные, с твердыми наполнителями	МВ-2,ОН-7

По данным В. Л. Озерова и В. В. Аппилинского. " Расшифровка сокращенных буквенных обозначений компонентов приведена в табл. 14.2.

Таблица 14.2. Компоненты выплавляемых и водорастворимых модельных

составов

Компоненты модельных составов	Условное обозначение модельных составов
ПС 50-50	ВИАМ-102	ПВКБ	МАИ-Зш	МПВС-2
Содержание компонентов, мае. %
Парафин (II)
Стеарин (С)
Полиэтиленовый воск ПВ-300 (В)
Канифоль (К)
Карбамид (мочевина) (К6)
Буроугольный воск (Б)
Торфяной воск (Т)
Церезин (Ц)
Триэтаноламин (Тэ)
Полиэтилен (П,)				1,6
Битум нефтяной (Б„)				0,4
Поливиниловый спирт (П,с)					2,5
Магний сернокислый (М,.)					2,5

В скобках указаны буквенные обозначения компонентов в маркировке модельных составов.

Водорастворимые составы (см. табл. 14.2) на основе мочевины (карба­мида), азотнокислых и других водорастворимых солей имеют малую усадку и плавятся в области температур 129—339 °С. Они широко используются для изготовления сложных по форме стержней.

Использование выжигаемых модельных составов упрощает и удешев­ляет формовку, повышая при этом точность литья, что обусловлено газифи­цированием (разложением) выжигаемого состава при заливке сплава. Сус­пензионный полистирол, используемый в выжигаемых составах, обеспечи­вает теплоустойчивость моделей в процессе ускоренной сушки слоев обо­лочковых форм при 70—80 °С.

Выплавляемые модельные составы с твердыми наполнителями (табл. 14.3) в сущности представляют собой изотропный композиционный матери­ал с пластичной матрицей и распределенными в ней частицами твердого по­рошка (наполнителя). В данном случае имеется возможность формирования необходимых свойств модельного материала за счет количественного и ка­чественного изменения составов наполнителя и матрицы. Это позволяет ис­пользовать указанные модельные составы в производстве литых лопаток газотурбинных двигателей.

Таблица 14.3. Компоненты выплавляемых и эмульсионных модельных со­ставов с твердыми наполнителями

Марка модельного состава	Марка или материал компонента модельного состава, мае. %
Пластификатор	Наполнитель	Эмульгатор
ОН-2	ПВКБ —50%	Декстрин — 50%	—
ОН-3	ПВКБ — 50%	Мочевина (К6) — 50%	—
MB	В1 (илиВИАМ-102)—50%	Мочевина (Кб) — 50%	—
МВ-2	В1 (или ВИАМ-102) — 56,4%	Мочевина (К6) — 40%	ОП-7(илиОП-10) — 3,6%

Эмульсионные модельные составы с твердыми наполнителями (см. табл. 14.3) по ряду технологических (усадка, прочность, чистота поверхно­сти) и коррозионных (взаимодействие с влагой воздуха и этилсиликатным связующим) свойств являются более приоритетными по сравнению с ранее рассмотренными выплавляемыми модельными составами (с твердыми на­полнителями).

Технология литья по выплавляемым моделям. Изготовление моделей осуществляется посредством заливки или запрессовки модель­ного состава в пастообразном (подогретом) состоянии в специальные пресс-формы / (рис. 14.2, а). В частности, литьевой способ получения пенополи-стироловых моделей на специальных термопластавтоматах включает в себя пластификацию нагревом (100—220 °С) гранул полистирола, впрыскивания его в пресс-форму с последующим вспениванием и охлаждением модели. Для производства пресс-форм используют как металлические (стали, алюми­ниевые и свинцово-сурьмянистые сплавы), так и неметаллические (гипс, эпоксидные смолы, формопласт, виксинт, резина, твердые породы дерева) материалы. Пресс-формы, используемые для получения моделей, должны обеспечить им высокие параметры точности размеров и качества поверхно­сти, быть удобными в изготовлении и эксплуатации, а также иметь соответ­ствующий уровню серийности ресурс работы. Так, при единичном, мелкосе-

Д е эк

Рис. 14.2. Литье по выплавляемым моделям:

1 — пресс-форма; 2 — модель; 3 — модельно-литниковый блок; 4 — суспензия; 5 — псевдоожиженный слой зернистого огнеупорного материала; 6 — подача сжатого воздуха; 7 — расплав модельной массы (или горячая вода); 8 — керами­ческая оболочковая форма; 9 — опорный наполнитель (кварцевый песок); 10 — печь; 11 — ковш

рийном и серийном производствах используются, в основном, литые метал­лические, гипсовые, цементные, пластмассовые, деревянные, а также полу­ченные методами металлизации пресс-формы. В крупносерийном и массовом производствах, как правило, применяются металлические (часто многогнездные) пресс-формы, изготавливаемые с помощью механической обработки.

При изготовлении гипсовых пресс-форм эталон модели (модель-эталон), выполненный из любого конструкционного материала, заливают водной сус­пензией высокопрочного гипса марок 350 и выше. Такие пресс-формы вы­держивают изготовление до 50 штук моделей, но не обеспечивают послед­ним высоких показателей точности размеров и качества поверхности.

Достаточно широкое распространение (с учетом технологичности кон­струкции и невысокой стоимости) получили литые металлические пресс-формы, изготавливаемые из легкоплавких сплавов (например, сплава Вуда, АЛ2, ЦАМ4-1). Использование литых пресс-форм позволяет вносить все конструктивные доработки непосредственно в модель-эталон, а не в саму готовую пресс-форму, что существенно снижает трудоемкость изготовления форм и уменьшает разброс размеров моделей.

Пластмассовые пресс-формы изготавливают из пластмасс холодного твердения на основе эпоксидных и других смол, часто с добавками металли­ческих (железных, алюминиевых, медных) порошков для повышения тепло­проводности форм. Такие пресс-формы обладают высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью и обеспечивают хорошую точность моделей.

При литье художественных и ювелирных изделий, а также в зубопроте-зировании широко используют пресс-формы из эластичных материалов. В данном случае в качестве формообразующего материала применяют формо-пласт, резину, а также разновидности герметика — виксинта: жидкий (полу­прозрачный) и пастообразный (белый).

Для изготовления пресс-форм применяются также методы гальванопла­стики, металлизации и напыления. Так, гальваническое покрытие наносят на модель-эталон, изготовленный из полированного сплава на основе алюминия или цинка. В то же время при формировании плазменных покрытий на осно­ве металлических порошков в качестве материала модели-эталона применя­ют металлические сплавы, графит или гипс.

Запрессовка модельных составов осуществляется на прессах (пневмати­ческих, рычажных и др.) или вручную.

Монтаж модельных блоков. Объединение мелких моделей 2 в блоки 3 (см. рис. 14.2, б) с единой литниковой системой повышает техноло­гичность, производительность и экономичность процесса литья. Сборка мо­делей в модельные блоки (т. е. соединение моделей отливки с моделью стоя­ка) осуществляется разными способами: а) припаиванием разогретым инст­рументом (паяльником, ножом) или жидким модельным составом; б) соеди-

нением моделей в кондукторе с одновременной отливкой модели литниковой системы; в) соединением моделей в блоки на металлическом стояке (каркасе) с помощью механического крепления (зажима); г) склеиванием моделей от­ливки и литниковой системы.

Формирование на модельных блоках керамической оболочки. Способ литья по выплавляемым моделям нашел широкое при­менение в промышленности (особенно в авиации) благодаря использованию неразъемных керамических оболочковых форм, обладающих комплексом необходимых эксплуатационных свойств (газопроницаемость, термостой­кость, жесткость, гладкость поверхности, точность размеров, отсутствие га-зотворности, высокая рабочая температура и др.).

Обычно керамическая оболочка состоит из 3—8 последовательно нано­симых слоев (в принципе, число слоев может достигать 20 и более), обеспе­чивающих в итоге общую толщину стенок формы от 2 до 5 мм. В ряде слу­чаев допускаются и меньшие значения толщин стенок (0,5—1,5 мм) керами­ческой оболочки. Слои суспензии 4 наносят погружением в нее модельного блока (см. рис. 14.2, в). После стекания с моделей излишков суспензии их обсыпают огнеупорным материалом (например, кварцевым песком, крошкой шамота, электрокорундом с размером зерен для разных слоев в пределах 0,1—1,5 мм) в псевдоожиженном слое 5 (рис. 14.2, г) и сушат. При этом каж­дый слой оболочки просушивают до тех пор, пока содержание жидкой фазы в нем будет не более 20%. В состав суспензии входят связующее — гидроли-зованный раствор этилсиликата (ЭТС) — 70% и пылевидный кварц (либо силиманит, электрокорунд, циркон и др.). ЭТС состоит из смеси эфиров кремниевых кислот и описывается общей формулой ^HjO^jSinOn+i (где п «1,2, 3,...). Поскольку ЭТС и вода взаимно нерастворимы, то для активи­зации процесса гидролиза их перемешивают, используя растворители — спирт или ацетон, а также катализатор НС1. В процессе гидролиза происхо­дит частичное (а в завершающей стадии — полное) замещение этоксильных групп С2Н5О гидроксильными, обеспечивающими сшивание простых моле­кул в сложные, а также образование линейных и сетчатых структур. В результате гидролиза с использованием малого количества воды раствор этилсиликата при­обретает свойства кремнийорганического полимера. Гидролиз приводит к воз­никновению молекул поликремниевых кислот «Si0₂(n+1)Н₂0, рост которых повышает вязкость раствора и способствует образованию силикозоли. При сушке и обжиге золь переходит в гель; гель теряет влагу, а содержащийся в нем оксид SiCb соединяет зерна огнеупора; при этом суспензия твердеет. Каждый нанесен­ный этилсиликатный суспензионный слой сушат на воздухе в течение 2—6 ч и более. Для ускорения сушки необходимо провести химическое отверждение свя­зующей пленки, воздействуя на нее влажным аммиаком (аммиак действует как катализатор гидролиза). Применение вакуумно-аммиачного способа твердения позволяет в несколько раз сократить продолжительность сушки.

Выплавление моделей из керамических форм. Легко­плавкие составы удаляют в ваннах с горячей водой 7 (рис. 14.2, д), а туго­плавкие выплавляют горячим воздухом, перегретым паром под высоким давлением при температуре до 120 °С и более (автоклавный метод), в рас­плаве модельной массы (рис. 14.2, д), а также высокочастотным нагревом. Использование эффективного метода выплавления модельных составов — СВЧ-нагрева — позволяет исключить деформацию или разрушение керами­ческой оболочки из-за напряжений в ней, вызванных расширением объема модельного состава при его плавлении. Эффект воздействия СВЧ обусловлен быстрым нагревом и оплавлением поверхностного слоя модели, контакти­рующего с керамической оболочкой, в результате чего между ней и нерас­плавленной частью модели образуется зазор, исключающий их механическое взаимодействие и деформацию оболочки.

Модели на основе карбамида удаляют без нагрева путем растворения в воде.

Формовка оболочек заключается в их размещении в опорном наполнителе 9 (рис. 14.2, е) с целью упрочнения, защиты от резких измене­ний температуры при прокаливании и заливке металлом. Опорный наполни­тель может быть сухим сыпучим (песок без связующих), насыпным пластич­ным, увлажненным связующим (наполнитель отверждается в процессе суш­ки), наливным самотвердеющим (жидкие самотвердеющие смеси). Присут­ствие наполнителя обеспечивает длительное сохранение высокой температу­ры в полости формы после прокаливания и, как следствие, хорошую запол-няемость формы металлом при литье тонкостенных деталей.

Прокаливание оболочковых форм проводится при их на­греве в печи 10 (рис. 14.2, ё) до 850—950 °С с целью удаления остатков мо­дельных составов и газотворных веществ из материала оболочки, а также завершения процессов ее твердения. Это способствует улучшению условий заливки металла. При прокаливании керамической формы в вакууме или псевдоожиженнном слое горячего песка ее температура нагрева может быть снижена в связи с активизацией процессов возгонки, деструкции или окисле­ния удаляемых из формы продуктов распада модельного материала. Так, прокаливание в указанных выше условиях кварцевых оболочек, предназна­ченных для литья алюминиевых сплавов, может осуществляться уже при 500—550 °С, т. е. при температурах более низких, чем температура поли­морфного превращения кварца, что исключает возможность растрескивания изготовленных из него оболочек.

Интенсификация удаления выжигаемых модельных составов достигает­ся за счет подачи в рабочую зону прокалочного устройства активных газооб­разных реагентов (воздух, кислород или водяной пар), обеспечивающих пол­ноту их сгорания.

Заливка, выбивка и очистка отливок. Способом литья по выплавляемым моделям получают отливки из многих материалов: конструк-

ционных углеродистых и легированных сталей, сплавов на основе алюминия, магния, меди, никеля, кобальта, титана, ниобия, бериллия, золота, серебра, платины и ряда других. Заливка металла (рис. 14.2, ж) осуществляется в го­рячие формы, часто сразу после их прокаливания. Температура формы зави­сит от состава литейного сплава: при заливке стали она составляет 800—900 °С, сплавов на основе никеля — 900—1100 °С, меди — 600—700 °С, алюминия и магния — 200—250 °С. Качество металла отливки и его свойства зависят от состава сплава, условий его плавки и заливки расплава в форму, а также от характера процесса кристаллизации отливки. Так, повышение качества литейного сплава достигается его плавкой и заливкой в вакууме или в среде инертного газа (например, аргона). Это особенно важно для сплавов на осно­ве легко окисляющихся элементов (Al, Ti) или содержащих эти элементы в качестве компонентов. Например, перед заливкой алюминиевых сплавов приме­няют фильтрацию расплава, а заливку ведут под низким давлением или вакуум­ным всасыванием, а также другими, обеспечивающими чистоту металла, спосо­бами. Литье титановых сплавов часто осуществляют в вакуумно-дуговых пла-вильно-заливочных установках с остаточным давлением 0,133—0,666 Па.

Заполняемость форм расплавом достигается воздействием центробеж­ных (при центробежном литье) и электромагнитных (МГД-насос постоянно­го тока) сил, давлением нейтрального газа, а также литьем под низким дав­лением и вакуумным всасыванием. Указанные методы одновременно обес­печивают повышение плотности и прочности металла отливок.

Достаточно широко используемая при литье по выплавляемым моделям (благодаря термостойкости и прочности высокоогнеупорных оболочковых форм) направленная кристаллизация отливок из различных сплавов, в том числе и из жаропрочных (см. гл. 15), обеспечивает формирование столбчатой и монокристаллической структуры с высоким уровнем физико-механических и других эксплуатационных свойств.

Охлажденные отливки выбивают из форм на вибрационных решетках. Опорный наполнитель просыпается через решетку. Литниковые системы крупных отливок отделяют газопламенной и анодно-механической резкой, а также на металлорежущих станках и прессах. В то же время выбивка удаляет лишь 90% материала керамической оболочки, а 10% сохраняются в отвер­стиях и карманах (поднутрениях) отливки. Поэтому операция очистки отли­вок является обязательной.

Механические способы очистки включают в себя очистку дробью, ша­риками из натриево-известкового стекла, металлическим песком, гидроабра­зивную и виброочистку (в том числе ультразвуковую).

Химическая (химико-термическая) очистка осуществляется в растворах и расплавах щелочей. Так, например, очистку алюминиевых отливок успеш­но осуществляют при 400—550 °С, поскольку в данных условиях практиче­ски не наблюдается взаимодействие алюминия с расплавом.

Наибольший технический и экономический эффект достигается при комбинированной ступенчатой очистке, состоящей из последовательно про­водимых операций механической и химической очисток.

Преимуществами данного способа литья являются: возможность полу­чения отливок сложной конфигурации; использование практически любых сплавов; высокое качество поверхности и точность размеров отливок; мини­мальные припуски на механическую обработку; обеспечение качественной равноосной, столбчатой и монокристаллической структуры с высоким уров­нем эксплуатационных свойств.

К недостаткам способа литья можно отнести многооперационность, трудоемкость и длительность процесса, многообразие материалов, исполь­зуемых для изготовления формы.

Способом литья по выплавляемым моделям изготавливают сложные от­ливки высокого качества, например, турбинные лопатки из жаропрочных сплавов, постоянные магниты с определенной кристаллографической ориен­тацией структуры, художественные изделия и др.