Литье по газифицируемым моделям

Впервые о литье по газифицируемым моделям (ЛГМ) узнали в 1958 году, когда потребовалось быстро и экономично изготовить художественные отливки. Результатом нового запатентованного метода стала150-килограммовая бронзовая скульптура Пегаса. В дальнейшем таким же способом произвели отливку мачты для колокола, украшенную художественным орнаментом и весящую 3,5 т, и другие предметы из алюминиевого сплава.

Технология литья по газифицированным моделям

Сегодня ЛГМ — одна из наиболее перспективных технологий. От литья по выплавляемым моделям она отличается тем, что удаляется из формы в процессе заливки, а не до него. Поступающий металл вытесняет своим объемом модель, которая постепенно «испаряется», и в результате занимает все пространство формы.

На изготовление моделей идет полистирол разных марок, представленный в виде гранул, плит или блоков. Когда расплавленный металл начинает поступать в литейную форму с пенополистироловой моделью, она преобразуется в газ и уступает ему место. Поэтому модели и называются газифицированными.

ЛГМ используют в массовом и серийном производстве. Процесс литья происходит в следующем порядке. Сначала в поддон помещают гранулированный полистирол и, чтобы он набух, нагревают его до 80°С. Гранулы увеличиваются до 1-15 мм. Их сортируют, задувают в пресс-формы из алюминия, затем помещают в автоклав, где выдерживают при температуре, превышающей 100°С, и под давление 0,2 МПа. В таких условиях полистирол вспенивается и приобретает контуры пресс-формы. Готовую модель детали с элементами литниковой системы извлекают, сушат, затем собирают и склеивают в блоки, сверху покрывают огнеупорным составом, который состоит из кварцевого песка и этилсиликата. Перед формовкой наносят слой противопригарной краски толщиной 0,2 мм и помещают в двустенные опоки, во внутренних стенках которых есть отверстия для выхода газа.

Полистироловые блоки или плиты обычно используют для моделей, идущих на изготовление крупных отливок. Их сваривают или склеивают, а вместо формовочной обмазки могут применять чугунную дробь или ферромагнитный порошок. Благодаря этому происходит дополнительное уплотнение электромагнитным полем, а сам состав остается на месте во время заливки металла.

Производство литниковой системы для крупных форм происходит из смеси полистирола и керамических трубок. Металл подводится сифонным способом, обеспечивая постепенное поступление расплава по направлению снизу вверх и газификацию модели. Скорость подъема металла зависит от материала и поперечного сечения и укладывается в следующие рамки: для чугуна — 3-5 см/с, для стали — 5-7 см/с.

Преимущества

• даже сложные модели получаются без разъемов;
• отсутствуют стержни;
• нет необходимости в извлечении модели;
• не требуется связующее при использовании огнеупорного материала.

Для разовых моделей из пенополистирола применяют другие способы. Для крупносерийного производства используют подвспененные гранулы суспензионного полистирола, для единичного изготовления — механическую обработку плит.

Сложные модели изготавливают по частям, затем соединяют сваркой или склеиванием в литниковую систему, покрывают огнеупорной краской и просушивают на открытом воздухе. В результате пенополистирольная модель заключается в газонепроницаемую огнеупорную оболочку. Контейнер, в который подают опорный материал, закрывают полиэтиленовой пленкой и, чтобы форма не разрушилась, устанавливают разрежение 0,04-0,05 МПа. Жидкий металл заливают в форму, и при температуре 560°С пенополистирол газифицируется и покидает ее. Для крупных отливок применяют холоднотвердеющие смеси, сыпучие или жидкоподвижные.

Как только отливка охладится и станет твердой, опоку переворачивают. Наполнитель отделяется, а готовая отливка отправляется на обработку. Если используют обычные формовочные смеси, то применяют выбивные решетки.

О применении неразъемной формы

Главное достоинство способа заключается в качестве готовых отливок. Количество частей формы и стержней сокращается, вследствие этого отливки становятся более точными по размерам, без искажения конфигурации. Точность отливок ЛГМ регламентируется ГОСТ 26645-85 (с изменениями № 1, 1989) и полностью соответствует точности аналогов, полученных в кокиле.

Достоинства метода

• обработка пенопласта легче, чем древесины;
• пенопласт не деформируется при обработке и подходит для создания сложных форм;
• на производстве не требуется высшая квалификация персонала;
• процесс упрощается благодаря отсутствию этапа извлечения модели;
• трудоемкость уменьшается в несколько раз;
• исключено повреждение формы, не нужна доработка.

Этот метод используют для отливки форм из чугуна, стали, латуни, бронзы. Отливки, даже самые сложные по конфигурации, получаются очень точными — 7-12 класс по регламенту ГОСТ 26645-85. Благодаря частичному вакуумированию они становятся плотными, с высоким качеством поверхности (RZ 40-80). Механическая обработка после литья или не требуется совсем, или необходима в минимальном количестве, и тогда сохраняются минимальные припуски. В результате серийного производства отливки получаются идентичными.

Особенности применения пенополистирола

Изготавливают газифицируемые модели из вспенивающегося полистирола, имеющего синтетическое происхождение. Его получают путем суспензионной полимеризации стирола в сочетании со стабилизатором, эмульгатором и парообразователем, в качестве которого применяют изопетан. Гранулы вспенивающегося полистирола — это белые или прозрачные шарики величиной 3,2 мм. Под твердой оболочкой каждого элемента находится жидкий изопетан.

Процесс вспенивания происходит следующим образом. Когда температура нагрева достигает 27,9°С, начинается кипение изопетана и переход его в газообразную фазу. При дальнейшем повышении температуры до 80-90°С оболочка становится мягкой и деформируется, а сами гранулы увеличиваются в 10-40 раз. В замкнутом пространстве они спекаются и образуют монолитную массу, повторяющую конфигурацию формы, в которую они помещены.

В мелкосерийном производстве или для изготовления единичных моделей гранулы сразу засыпают в пресс-форму, которую устанавливают в автоклав и нагревают 10-12 минут. Гранулы разбухают, вспениваются и образуют единую массу, по конфигурации повторяющую очертания формы. Форму помещают в проточную воду, охлаждают, модель извлекают. К ней с помощью клея БФ-4, декстринового или столярного клея присоединяют пенополистироловую литниковую систему. Так создают сложные и крупные модели. Их также можно склеивать из отдельных деталей, заранее вырезанных из блоков или листов пенополистирола нагретой до 300°С нихромовой проволокой.

Свойства пенополистирола, используемого для отливок

• плотность 20-30 кг/м³ и прочность 0,1-0,2 МПа для сохранения конфигурации при производстве, хранении, перевозке и формовке;
• высокая скорость газификации, способствующая быстрой заливке металла в форму;
• стабильная минимальная усадка 0,15-0,2% на всех этапах производственного процесса;
• разложение с небольшим содержанием коксообразующих элементов в процессе газификации для предотвращения засоров.

К особенностям ЛГМ относят использование моделей без формовочных уклонов и стержневых знаков, с минимизированными припусками на финишную обработку. Процесс формовки заметно упрощается: сначала в опоку насыпают слой формовочной смеси, затем помещают модель с литниковой системой, сверху снова засыпают формовочной смесью. Процесс уплотнения при этом производится или при помощи вибрационного стола, или вручную. Предпочтение все больше отдают способу формовки с использованием жидких самотвердеющих составов.

ЛГМ сегодня и в перспективе

Технология ЛГМ признана эффективной и экономичной, поэтому становится все более востребованной на отечественных предприятиях. Благодаря ей появилась возможность выпуска заготовок из разнообразных сортов металла и сплавов, включая драгоценные. В серийном производстве можно изготавливать огромное количество высококачественных деталей, не требующих дальнейшей финишной обработки.

Целесообразно применять ЛГМ в 2-х случаях:

• Для производства отливок среднего и крупного размера при изготовлении небольших серий или опытных образцов.
• Для производства более сложных отливок, если используются цветные и черные сплавы не тяжелее 50 кг — например, отливок «блок цилиндров» для двигателей автомобилей. При серийном изготовлении важна высокая точность размеров.

При использовании технологии ЛГМ значительно уменьшаются расходы на производство и ускоряется процесс заливки, особенно при объединении нескольких форм в одну модель. В дальнейшем не требуется трудоемкая механическая доработка. Ресурс алюминиевых форм увеличен за счет того, что вспененный полистирол не оказывает агрессивного действия. Значительно экономятся расходные материалы — предположим, кварцевый песок можно использовать многократно.

Отработанный газ полностью сжигается, поэтому производство признано экологически чистым. Из-за отсутствия вредных выбросов условия труда для сотрудников гораздо лучше, чем для их коллег из цехов с традиционным литейным производством. Благодаря перечисленным преимуществам технология ЛГМ становится все более популярной и на крупных металлургических предприятиях, и в мастерских, занимающихся художественным литьем.