Лекции по курсу Современные технологии литья


Лекций по курсу « Современные технологии литья»
Раздел 1. Основы литейного производства. Сущность процесса литья. Основные понятия и определения: процессы расплавления и кристаллизации сплавов; взаимосвязь структуры и свойств отливок; элементы литейной формы, элементы литниково-питающих систем, литейная оснастка и оборудование. Рафинирование и модифицирование расплавов. У литейщиков принято разделять два понятия: затвердевание и кристаллизация.
Понятие затвердевания используется при определении объемов затвердевшего металла, толщин затвердевшей корки и времени затвердевания.
Кристаллизация используется при рассмотрении зарождения кристаллов, совместного их роста и формирования кристаллического строения отливки. Для зарождения кристалла необходимо переохлаждение жидкого металла, что при отсутствии переохлаждения скорость кристаллизации и скорость возникновения центров кристаллизации равны нулю.
19323052606675
Переохлаждением называется процесс охлаждения металла ниже температуры Ткр его равновесного перехода в другое фазовое состояние до температуры Т1. Эту разность температур (Ткр –Т1) обозначают ΔТпереохл. Для зарождения твердого кристалла необходима затрата энергии на образование поверхности раздела фаз — возникающей твердой и жидкой, поэтому в гомогенной (однородной) жидкости без переохлаждения зародыши возникнуть не могут (гомогенная кристаллизация).
\s

Схема зависимости энергии Гиббса G фаз от температуры
жидкой (1) и твердой (2)

\s
Кривая охлаждения с переохлаждением
Каждая фаза — жидкий металл 1, твердое тело 2 — характеризуется индивидуальной зависимостью своей свободной энергии от температуры. При температуре кристаллизации Ткр си¬стема фаз находится в динамическом равновесии, так как свобод¬ная энергия обеих фаз одинакова. Устойчивей будет фаза, облада¬ющая меньшей свободной энергией Гиббса, так как любая система стремится к равновесию, т.е. к состоянию, в котором значение ее свободной энергии в данных условиях минимально.
Охлаждение системы от равновесной температуры Ткр кристаллизации до температуры Т, переводит ее в состояние, когда твердая фаза (зародыш) будет обладать меньшей свободной энергией и будет более устойчивой. Разности температур ΔТпереохл соответствует разность свободных энергий жидкости (ж) и твердого (тв) тела:
ΔG- Gтв =ΔG
Величина общей свободной энергии ΔG складывается из объем¬ной ΔGv и поверхностной ΔGs:
ΔGv=ΔGv -ΔGs

Если предположить, что зародыши имеют форму шара с ради¬усом r, то объемную энергию, за счет которой происходит сниже¬ние (-) общей свободной энергии, можно выразить через объем шара, теплоту кристаллизации L и относительное переохлажде¬ние ΔT переохл/Ткр:
В то же время повышение энергии (+) происходит в результате образования шаровой поверхности разднла фаз:
ΔGs=σ4πr2.
Типичной составляющей структуры отливки являются дендриты — древовидные разветвленные кристаллы. Дендритное строение металла выявляется на макрошлифах. Каждый дендрит образует отдельное макрозерно. При травлении в зерне выявляются системы осей, располагающиеся под определенными углами одна к другой: главные оси 1-го порядка и оси 2-го порядка. Границы между дендритами выявляются менее отчетливо, чем между округлыми зернами, которые также могут возникнуть в литой структуре. Наблюдения за последовательностью роста отдельных дендритов показывают, что их оси растут с преобладающей продольной скоростью, при этом скорость роста осей 1-го порядка больше скорости роста осей 2-го порядка, в свою очередь скорость роста осей 2-го порядка больше скорости роста осей 3-го порядка и т.д.
Макрозерно имеет, как правило, неопределенную внешнюю форму, а его размеры колеблются от десятых долей до десятков миллиметров в зависимости от скорости затвердевания. Для многих сплавов в широком диапазоне скоростей затвердевания наблюдаются простые зависимости вида:

Схема кристаллического строения отливки
Общепринято считать, что типичным является кристаллическое строение тела отливки, состоящее из трех макроструктурных зон внешней мелкозернистой (1), расположенной за ней зоны столбчатых кристаллов (2) и центральной зоны (3) равноосных кристаллов.
Внешняя зона образуется вследствие значительного переохлаждения в условиях появления большого числа зародышей, возникающих из-за интенсивного охлаждения и большой скорости затвердевания. Изучение структуры на микроскопическом уровне показало, что по соотношению осевых размеров кристаллы близки к равноосным, но их оси 1-го порядка нормальны к поверхности отливки. Образовавшиеся во внешней зоне кристаллы могут расти только вглубь металла в направлении, также нормальном поверхности охлаждения, и превращаются в столбчатые кристаллы. Если металл заливают при низкой температуре нагрева, то зона столбчатых кристаллов не образуется. В случае заливки при очень больших перегревах столбчатые кристаллы достигают оси отливки. Такое явление называют транскристаллизацией.
Далее скорость роста столбчатых кристаллов замедляется, в расплаве появляются центры кристаллизации. Рост этих зародышей тормозит рост столбчатых кристаллов, и они образуют неориентированные крупные кристаллы центральной части слитка с беспорядочным направлением осей 1-го порядка.
Технологические свойства сплавов
жидкотекучесть;
склонность отливок к образованию усадочных раковин и пористости;
линейная усадка сплавов и отливок;
усадочные напряжения в отливках;
склонность к горячим трещинам;
склонность к холодным трещинам;
склонность сплавов к насыщению газами и образованию газовой пористости;
склонность компонентов сплавов к ликвации;
неметаллические включения и плены в сплавах
зависимость механических свойств сплавов от толщины стенки отливок.
Жидкотекучесть.
Поэтому понятие жидкотекучести как технологического свойства сплавов еще долгие годы будет использоваться для сравнительных испытаний, при отработке технологии и при разработке новых сплавов.
Склонность отливок к образованию усадочных раковин и пористости
Усадка—одно из основных литейных свойств сплавов. Процесс усадки сопровождается рядом явлений, определяющих качество отливки. В первую очередь, к ним следует отнести образование усадочной раковины и усадочной пористости, усадочных напряжений, горячих и холодных трещин, остаточных напряжений, формирование размеров и коробления отливок.
Различают усадку металлов и сплавов и усадку отливок. Под усадкой металлов и сплавов понимают уменьшение (в общем случае изменение) объема и размеров некоторого объема металла или сплава при охлаждении в изотермических (равновесных) условиях, когда температура одинакова в любой точке в каждый данный момент времени. Усадка сплава определяется только его физическими свойствами. Под усадкой отливок понимают уменьшение (в общем случае изменение) объема и размеров отливки из сплава, залитого в реальную литейную форму, охлаждающегося в неизотермических (неравновесных) условиях с неоднородным распределением температуры и находящегося в силовом взаимодействии с нагреваемой формой. Усадка отливки определяется не только свойствами сплава, но и неоднородностью температуры и его взаимодействием с формой. Принято подразделять усадку и сплава, и отливок на объемную и линейную.
Объемная усадка металлов и сплавов. Объемная усадка металлов и сплавов является не литейным, а физическим свойством. Для литейщиков представляет практический интерес не только суммарное изменение объема, металла или сплава при их охлаждении, которое собственно и характеризует объемную усадку металлов и сплавов, а его изменение в зависимости от температуры. Поэтому различают: усадку в жидком состоянии, когда температура изменяется от Тзал до Тл (Ткр) (рис. 3.9); усадку затвердевания, когда температура изменяется от Тл до Тс (или Ткр = const, рис. 3.9, а, б), и усадку в твердом состоянии, когда температура изменяется от Тс до Тн (где Тн — температура окружающей среды, цеха). Следует отметить, что коэффициент объемного сжатия металла в жидком состоянии больше, чем для металла в твердом состоянии. .Чаще всего объемную усадку выражают в процентах или в долях единицы.
εv(ж) = V1-V2V2∙100 % — в жидком состоянии (индекс «ж»);
εv(з) = V2-V3V3 ∙100 % — затвердевания (индекс «з»); εv(тв) = V3-V0V0∙100 % — в твердом состоянии (индекс «тв»),
εv(∑) = V1-V0V0∙100 %, или εv(∑) = εv(ж) + εv(з) + εv(тв).
Белые чугуны подчиняются общей закономерности: кристаллизуется аустенито-цементитная эвтектика, плотность возрастает до значения, соответствующего точке S. При дальнейшем охлаждении плотность белого чугуна увеличивается монотонно.
В серых чугунах кристаллизуется аустенито-графитная эвтектика, что сопровождается не уменьшением, а увеличением объема , кроме того, у серых чугунов и после плотность уменьшается, и происходит расширение называемое «постэвтектическим», возможные причины:
продолжение кристаллизации эвтектической жидкости с выделением графита и вытеснением остатка расплава.
выделение графита из первичного и эвтектического аустени- та в твердом состоянии в результате резкого снижения растворимости углерода в аустените сопровождается увеличением объема (уменьшением плотности) чугуна.
Возможно также, что при эвтектической кристаллизации наряду с аустенито-графитной эвтектикой выделяется некоторое количество аустенито-цементитной эвтектики, цементит которой неустойчив и распадается с увеличением объема и уменьшением плотности.
Особенность кристаллизации эвтектических двойных сплавов Fе - С и многокомпонентных чугунов заключается в отсутствии скачка плотности. При этом усадка не наблюдается, а расширение происходит в некотором интервале температур ниже температуры эвтектического превращения, т. е. расширение является постэвтектическим. Расширение чугунов околоэвтектического состава может достигать 1,7 %.
Образование усадочных раковин. При охлаждении расплава, залитого в реальную форму, температура в различных точках отливки будет неодинакова, поэтому описанные выше процессы объемных изменений происходят неодновременно (например, в тонких и толстых сечениях), что приводит к взаимодействию отдельных объемов и слоев отливки между собой и отливки с литейной формой. Кроме того, часть металла может затвердевать при заливке, а уменьшение объема жидкого металла в форме некоторое время компенсируется литниковой системой. Неодновременность затвердевания сплава в объеме отливки приводит к образованию усадочных дефектов (усадочных раковин и усадочной пористости), объем которых определяется, с одной стороны, частично объемной усадкой в жидком состоянии и объемной усадкой затвердевания сплава, а с другой — перечисленными выше процессами.
25495254176395
Образование усадочной пористости. Усадочная пористость возникает в отливках, если она изготовляется из сплава, затвердевающего в интервале температур ТЛ ...ТС, когда в отливке можно выделить двухфазную зону и ξл-с > 0.
В начальный момент времени до смыкания дендритов в середине толщины отливки процесс усадки происходит аналогично вышеописанному, и в результате образуется сосредоточенная усадочная раковина. После смыкания дендритов между ними возникают замкнутые изолированные (не соединенные с основной массой расплава) пространства, заполненные жидким металлом. По мере охлаждения и затвердевания жидкой фазы в замкнутых пространствах происходит разрыв жидкости, образование пустоты (давление в ней равно нулю, т. е. создается вакуум) и последовательное ее увеличение за счет усадки затвердевания при переходе жидкого состояния в твердое. Питание отливки из стояка и прибыли при этом происходит за счет фильтрации жидкой фазы по междендритным каналам. С течением времени каналы зарастают, и фильтрация прекращается.,. Однако в кажущемся плотном металле также наблюдается усадочная пористость. Ее принято называть рассеянной усадочной пористостью. Она также существенно влияет на механические свойства и герметичность отливок.
Линейная усадка сплавов. Линейная усадка сплава, так же, как и объемная усадка, является его физической характеристикой. Ее можно приближенно определить по известной зависимости температурного коэффициента линейного расширения от температуры, по которой можно найти среднеинтегральную величину этого коэффициента αlср. Собственно линейную усадку εl сплава приближенно оценивают по уравнению:

εl= αlср( Тс –Тн )100% ,
где - Тс,Тн температуры солидуса и окружающей среды.
Линейная усадка отливок. Линейная усадка отливок является технологическим свойством и определяется свойствами сплава и его взаимодействием (тепловым, силовым и химическим) с литейной формой. Величина линейной усадки отливок на рассматриваемом размере определяется по разности двух размеров: размера lм модели между двумя поверхностями и размера Х0 отливки между теми же поверхностями, которые выполняются моделью. Измерение одного и того же размера модели можно проводить три раза, чтобы вычислить среднюю арифметическую величину.
Измерение соответствующего размера отливки необходимо производить на минимальной выборке 13 штук одинаковых отливок и находить среднеарифметическую величину размера Х0. Среднеарифметическая величина линейной усадки отливки на этом размере определяется по уравнению:
εl0=lм-Х0Х0∙100%При проектировании модельно-стержневой оснастки линейную усадку отливки учитывают двумя способами в зависимости от серийности производства и, следовательно, от материала оснастки.
Первый способ используют в индивидуальном и мелкосерийном производстве, когда применяют деревянные модели. Инженер-технолог назначает одинаковую среднюю линейную усадку отливки на все ее размеры в процентах (например, 1,0 %). Модельщик перед изготовлением модели вычерчивает на листе фанеры чертеж отливки с использованием усадочных металлических линеек с заданным процентом линейной усадки. Инструментальные заводы изготовляют металлические линейки (метры) с учетом линейной усадки от 0,5 до 2,5 % через каждые 0,25 %. Каждое деление усадочной линейки больше нормального деления на указанный процент усадки. Так, усадочный метр с 1,5 % усадки имеет 1000 делений с общей длиной 1015 мм. Затем при изготовлении оснастки модельщик каждый размер берет со сделанного чертежа, и, таким образом, размер модели получается больше размера отливки на величину заданной линейной усадки отливки.
Второй способ используют в крупносерийном и массовом производстве, когда необходимо и целесообразно применять металлические или пластмассовые модели. В этом случае делается чертеж модели, особенностью которого является дробность размеров модели, так как они должны быть даны с учетом линейной усадки отливки. Подразумевается, что разные размеры могут иметь неодинаковую усадку в разных направлениях. При этом уменьшается масса отливок и достигается экономия металла.
Усадочные напряжения в отливках
Усадочными называются напряжения, возникающие в отливках вследствие усадки из-за ее торможения формой и стержнями и неодновременности протекания объемных и линейных изменений в объеме отливки.

Эпюры напряжений в брусе, нагруженном внешним моментом М (а) и неоднородно нагретом (б)
Усадочные напряжения подразделяются на механические, термические и фазовые. Механические напряжения вызываются торможением усадки формой и стержнями. Термические напряжения возникают из-за неоднородности температур в объеме отливки, а фазовые — из-за неодновременности протекания фазовых превращений в отливке (например, перлитного превращения в тонких и толстых частях отливки из сплавов железа).
Названные выше напряжения являются временными, они исчезают при устранении причины, их вызывающей. Например, после выбивки отливок исчезают Механические напряжения. После выравнивания температур (как правило, после полного охлаждения отливок) и окончания фазовых превращений соответственно исчезают термические и фазовые напряжения.
Временные и остаточные напряжения в отливках могут приводить к нежелательным последствиям. Временные напряжения, возникающие в процессе затвердевания и последующего охлаждения, могут вызывать образование горячих и холодных трещин, снижать механические свойства сплавов. В отливках, поперечное сечение которых относительно одной или обеих осей несимметрично, напряжения возникают одновременно с потерей прямолинейности (короблением). Остаточные напряжения совместно с термическими напряжениями, образующимися при нагреве под термообработку или в процессе эксплуатации, совместно с рабочими напряжениями могут также вызывать разрушение отливки.
В процессе обработки резанием вследствие снятия напряженных слоев металла происходит коробление отливок. При хранении, транспортировке и эксплуатации за счет возможной релаксации (уменьшения) остаточных напряжений возможно искажение формы, изменение размеров, выходящее за допускаемые пределы.
В связи с этим на всех этапах технологического процесса необходимо стремиться к уменьшению напряжений, возникающих в отливках. Можно назвать следующие пути уменьшения напряжений в отливках: правильное конструирование отливок; воздействие на процесс их охлаждения в форме и вне формы; увеличение податливости форм и стержней; снятие остаточных напряжений путем отжига. Самым рациональным является правильное конструирование отливок. Рекомендации по конструированию известны. В основе этих рекомендаций лежит принцип одновременности затвердевания и равномерного остывания отливок.
Снятие остаточных напряжений при отжиге и термической обработке происходит вследствие того, что при повышенной температуре в напряженном металле происходят процессы релаксации и ползучести, которые при нормальной температуре и тех же напряжениях не развиваются или не имеют практического значения. Температура, при которой начинаются эти процессы, для различных сплавов неодинакова, приблизительно она равна (0,25...0,35)tпл. Именно эта температура является нижней границей интервала, в котором происходит так называемый переход из упругого состояния в пластическое. При назначении режима отжига определяют два параметра: температуру нагрева и время выдержки при этой температуре, причем, чем выше температура, тем меньше выдержка.
Склонность сплавов и отливок к горячим трещинам
Образование горячих трещин происходит в тех случаях, когда возникающие временные усадочные напряжения, главным образом механические, достигают значений временного сопротивления ов при растяжении в заданных условиях деформирования (по температуре, скорости, величине деформации, схеме напряженного состояния, наличию концентраторов напряжений).
Разрушение при образовании горячих трещин происходит по границам зерен (межкристаллитный излом). Поверхность разрушения при образовании горячих трещин имеет крупнокристаллическое строение, сильно окислена. В трещине можно часто наблюдать затеки металла, не приварившиеся к поверхности разрушения. Характерными признаками горячих трещин являются рваные края и значительная ширина. В большинстве случаев горячие трещины образуются в интервале температур кристаллизации, точнее, в температурном интервале хрупкости, при этом чем шире интервал кристаллизации, тем вероятнее образование горячих трещин.
Первопричиной образования горячих трещин являются механические напряжения, возникающие в затвердевающей отливке в результате сопротивления формы и стержней усадке отливки. Реже трещины возникают вследствие взаимодействия отдельных элементов отливки.
Следует использовать комплексный подход для борьбы с этим дефектом, включающий: 1) конструирование отливки и выбор сплава; 2) разработку технологии изготовления отливки; 3) выбор допустимых колебаний параметров технологического процесса.
В связи с тем, что конструирование технологичной отливки не всегда возможно и в отливках возникают большие перепады температур, приводящие к локализации деформаций, литейщики вынуждены предусматривать технологические решения по предотвращению горячих трещин, например, использовать холодильники, усадочные ребра, увеличивать податливость смесей.
Большое, иногда решающее значение имеют правильные подвод металла и установка прибылей, поскольку даже в технологичных отливках они могут быть причиной образования горячих трещин. В нетехнологичной отливке подвод металла и установку прибылей можно использовать для предотвращения дефекта. Особенно эффективна установка прибылей в тех случаях, когда причиной возникновения горячих трещин является образование усадочных раковин или пористости.
Одним из наиболее эффективных средств предотвращения горячих трещин является искусственное рассредоточение деформаций
Склонность сплавов и отливок к холодным трещинам
Холодные трещины могут образовываться в отливке при ее охлаждении в форме или после выбивки, при нагреве под термообработку, очистке, транспортировке, обработке резанием, хранении и эксплуатации. Во всех случаях, кроме первых двух, причиной образования трещин являются остаточные напряжения, которые, суммируясь даже с незначительным напряжением от внешних сил, в том числе от нагрева или охлаждения, вызывают разрушение отливки.
При охлаждении в форме и после выбивки причиной появления холодных трещин являются временные напряжения, возникающие вследствие неоднородности охлаждения и сопротивления усадке со стороны формы и стержней. Холодные трещины образуются в слабых сечениях, местах концентрации напряжения (резких переходов, газовых и неметаллических включений).
Основными направлениями борьбы с холодными трещинами являются правильное конструирование отливок, уменьшение временных и остаточных напряжений в отливках путем регулирования охлаждения и снижения сопротивления формы и стержней усадке, а также снятие остаточных напряжений термообработкой.
Склонность сплавов к насыщению газами и образованию газовой пористости
Под склонностью сплавов к насыщению газами понимается их способность к растворению газов, образованию растворов внедрения при нагреве и расплавлении и их выделению из сплава при охлаждении и затвердевании.
Следствием выделения газов при затвердевании отливок является образование газовой пористости и сильное снижение механических свойств.
Растворение газов зависит, от агрегатного состояния, а также от интенсивности перемешивания в плавильном агрегате, характера движения потока жидкого металла. При движении мелкими струйками или каплями в газовой среде растворяется больше газа, чем при движении потока газа над расплавленным металлом, находящимся под слоем шлака. Турбулентный поток металла захватывает и растворяет при прочих равных условиях больше газа, чем ламинарный.
Если газ находится в растворе, то образование пористости в металле не происходит. Однако при изготовлении отливок температура металла понижается, и растворимость уменьшается, и газ будет выделяться из раствора
Механизм выделения газа и возникновения газовой пористости можно представить следующим образом. Кристаллизация залитого сплава начинается от стенок литейной формы. При образовании твердой корки на отливке выделяется значительное количество газов как вследствие уменьшения растворимости из-за понижения температуры, так и особенно из-за перехода жидкого состояния в твердое Усадочную, газовую и газоусадочную пористость можно различить по внешнему виду. Усадочные поры имеют, как правило, шероховатую поверхность и неправильную форму. Г а з о в ы е поры, наоборот, имеют гладкую поверхность округлой формы. В соответствии со сказанным газоусадочные поры приобретают округлую форму.
ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛИТЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Отливка ― заготовка, полученная методом заливки жидкого металла в литейную форму.
Процессы изготовления отливок в металлических формах называют литьём в кокиль или в постоянные формы, в которых можно получить от нескольких десятков до несколько тысяч отливок. Получение отливок в формах, изготовленных из формовочных и стержневых смесей, ― литьём в песчано-глинистые формы или литьем в разовые формы. После кристаллизации металла такие формы разрушаются с последующим извлечением отливки.
Литейная форма ― устройство (система элементов), изготовленное из металла (кокиль) или из формовочных и стержневых смесей (земляная форма), имеющее рабочую полость, конфигурация внутренней поверхности которой соответствует конфигурации наружной поверхности отливки. Необходимым элементом литейной формы является литниковая система.
Формовочные смеси ― сыпучие материалы, состоящие из огнеупорного наполнителя (кварцевого песка), связующего (огнеупорной глины, бентонита, смолы и т.д.) и специальных добавок. Песчаные формы изготовляют с использованием опок и без опок. В последнем случае процесс называют безопочной формовкой. Как правило, литейная опочная форма предусматривает наличие двух опок – верхней и нижней.
Опока ― литая или сварная металлическая рамка, служащая для удержания уплотненной формовочной смеси при изготовлении формы и её транспортировке. В конструкции опок предусмотрены центрирующие и направляющие штыри для точной сборки формы и фиксации полуформ в момент заливки.
Литниковая система – это система горизонтальных и вертикальных каналов, по которым жидкий металл при заливке из ковша течёт в полость литейной формы. К литниковой системе относятся также и резервуары для металла (прибыли и выпоры), питающие кристаллизующуюся отливку.
Прибыли – система дополнительных резервуаров (полостей) в литейной форме, связанных с полостью литейной формы. При заливке формы в прибылях создается дополнительный запас расплава для компенсации объемной усадки металла при его кристаллизации в литейной полости. В процессе поступления металла из прибыли в полость формы предотвращается возникновение в отливке усадочных раковин, рыхлот и пористости, которые являются браком, т.е. прибыли обеспечивают получение максимально плотной структуры металла отливки.
Выпор – вертикальный конусовидный канал, соединяющий полость литейной формы с атмосферой. Кроме дополнительного питания отливки расплавом, выполняет функцию вывода воздуха из полости литейной формы при ее заполнении жидким металлом.
Песчано-глинистые формы изготовляют с использованием моделей.
Модель ― приспособление, изготовленное из металла, дерева или пластмассы, имеющее конфигурацию отливки и отличающаяся от неё наличием знаковых частей для установки стержневых элементов литейной формы и размерами, увеличенными на величину литейной усадки и припусков на механическую обработку. Дополнительно на модель устанавливают модели прибылей. Модель крепится к подмодельной плите, а вместе они образуют модельный комплект. На подмодельную плиту монтируют модели элементов литниковой системы.
Для получения отверстий и полостей сложной конфигурации в отливках применяют стержни.
Стержень ― часть литейной формы, изготовляемая из металла или стержневой смеси отдельно от нее, которая в дальнейшем устанавливается внутрь литейной формы. Стержень предназначен для получения сквозных и глухих отверстий, внутренних и наружных полостей сложной конфигурации в отливке и имеет части, непосредственно не соприкасающиеся с жидким металлом. Эти части стержня, служащие для установки и фиксации его в полости литейной формы, называют знаковыми частями. Стержни изготовляют в разъёмных или вытряхных стержневых ящиках пескодувным или пескострельным методом
Модифицирование
Модифицированием называют такую не вызывающую или вызывающую в незначительной степени изменение химического состава обработку сплава в жидком состоянии, которая приводит к образованию мелких кристаллических зерен при последующей кристаллизации. Из этого определения следует, что при обработке, называемой модифицированием, в некоторых случаях в сплав вводятся вещества, изменяющие его состав, однако эти вещества вводятся в таком незначительном количестве, которое исключает возможность влияния на свойства сплава введенного вещества как нового легирующего компонента.
Известно, что допускается неизбежное присутствие примесей в промышленных сплавах в количествах, не превышающих определенных норм, за пределами которых эти примеси могут оказывать нежелательное влияние на свойства сплавов. Такими же нормами определяется и количество веществ, добавляемых при модифицировании. При этом добавляемые вещества могут и должны влиять на свойства сплава, но не как легирующие компоненты, а косвенно, как вещества, присутствие которых в сплаве вызывает измельчение кристаллического зерна. Изменение величины зерна, в свою очередь, будет вызывать изменение свойств сплава, прежде всего механических.
Поэтому модифицирование применяется, главным образом, для повышения механических свойств сплава. Вместе с тем оно действует благоприятно и в других направлениях: уменьшает предрасположенность сплава к образованию трещин и пористости, вследствие чего может повыситься герметичность отливки.
Существуют различные способы модифицирования, но сущность происходящих при обработке процессов подобна и может быть показана на основе уже имеющегося представления о явлениях, происходящих при затвердевании сплава. Рассмотрим некоторые способы модифицирования.
Модифицирование путем увеличения скорости охлаждения отливки
Допустим, что происходит кристаллизация отливки при неизменных внешних условиях - от отливки отнимается тепло с постоянной скоростью. При этом устанавливается некоторая степень переохлаждения, определяющая ход кристаллизационного процесса, т.е. число кристаллических центров, образующихся в единицу времени в единице объема отливки, и линейная скорость кристаллизации. На диаграмме (рис, а) описанное исходное положение обозначено цифрой I. Видно, что при образовавшейся невысокой степени переохлаждения число центров (кривая 1) сравнительно невелико, а линейная скорость кристаллизации (кривая 2), получающая развитие уже при небольшом переохлаждении, достигает высокого значения.
3492584455

Продолжительность кристаллизации
Модифицирование путем увеличения скорости охлаждения отливки(Q - количество тепла, отнимаемое от отливки в единицу времени, отнесенноек единице объема; L - скрытая теплота кристаллизации, выделяющаясяпри затвердевании отливки в единицу времени, отнесенная к единице объема;АТ- степень переохлаждения): 1 - число центров, образующихся за единицувремени в единице объема; 2 - линейная скорость кристаллизации; I- исходноеположение; II- положение, при котором отвод тепла во внешнее пространствопроисходит с повышенной интенсивностью
Исходное положение / показано также на диаграмме - рис. , б, на которой по оси абсцисс отложена продолжительность протекания процесса кристаллизации, а по оси ординат - следующие величины:
-Q - количество тепла, отнимаемое от отливки в единицу времени, отнесенное к единице объема;
-L- скрытая теплота кристаллизации, выделяющаяся при затвердевании отливки в единицу времени, также отнесенная к единице объема;
ΔТ - степень переохлаждения, при которой происходит кристаллизационный процесс;
кривая I - число центров, образующихся за единицу времени в единице объема;
кривая 2 - линейная скорость кристаллизации.
Видно, что при установившемся исходном положении I степень переохлаждения неизменна. Количество тепла, отнимаемое от отливки, равно количеству тепла, выделяющемуся при затвердевании: QX=LV Остальные прямые соответствуют положению , показанному на рис. , а.
Допустим, что интенсивность охлаждения отливки теми или иными средствами увеличивается, т.е. Q>Qr После изменения скорости охлаждения ход кристаллизационного процесса не может измениться мгновенно, так как для этого изменения необходимо увеличение степени переохлаждения. Следовательно, не изменится и количество тепла, выделяющегося при затвердевании, т. е. количество отнимаемого тепла превысит количество тепла, выделяющегося при затвердевании: Q2=LV Таким образом, дополнительно отнимаемое от отливки тепло должно вызвать понижение температуры отливки, т.е. увеличение степени переохлаждения.
Тепловой баланс, соответствующий какому-либо моменту переходного этапа, можно записать следующим образом:
в2=(РжСж+РтСт)Δt + Ц, где Рж, Рт - часть объема, занимаемая жидким и затвердевшим металлом соответственно, т.е. Рж+Рт=\; Сж и Ст- теплоемкости соответственно жидкого и твердого металла, отнесенные к единице объема; Δt - приращение степени переохлаждения, возрастающее в течение переходного этапа.
По мере возрастания Δt, т.е. увеличения степени переохлаждения, скорость кристаллизации будет увеличиваться незначительно (см. выше), но число центров кристаллизации будет интенсивно расти . Следовательно, должно постепенно увеличиваться количество одновременно растущих с неизменной скоростью кристаллов, т.е. должно увеличиться общее количество металла, затвердевающего в единицу времени в единице объема. Это увеличение должно, в свою очередь, вызвать повышение количества тепла, выделяющегося при затвердевании (X). Повышение будет происходить пока количество выделяющегося тепла не станет равным количеству отнимаемого тепла: Q2=Lr Тогда прекратится дальнейшее возрастание степени переохлаждения и установится равновесие, соответствующее положению //, когда отвод тепла во внешнее пространство происходит с повышенной интенсивностью.
При применении повышенного теплоотвода за период затвердевания должно образоваться большее количество зерен в единице объема по сравнению с тем, которое образовалось бы, если модифицирование не применялось. Таким образом, происходит измельчение зерен.
Площади, ограниченные кривыми Q и L, соответственно показывают общее количество тепла, отнятого от отливки (Q и выделившегося в течение всего периода затвердевания (LL). Эти величины явно не равны:
> LL. Разница величин LQ — LL составляет тепло, отнятое от отливки на переходном этапе, вследствие чего произошло понижение температуры металла. Пониженная температура сохранялась до конца затвердевания. Поэтому количество тепла, отнимаемого от отливки при ее охлаждении в твердом состоянии до температуры окружающего пространства, уменьшится (если применять модифицирование) на величину LQ - LL.
Таким образом, операция модифицирования сводится к увеличению степени переохлаждения по сравнению с той, которая существовала во время охлаждения с исходной скоростью. Измельчение зерна, достигаемое при увеличении скорости охлаждения, обычно не рассматривается как самостоятельная операция модифицирования, а происходит попутно, что связано с изменением технологического процесса.
Изменение технологического процесса обычно предпринимают с какой-либо другой целью, но учитывают также то, что происходящее при этом ускорение охлаждения должно вызвать измельчение кристаллического зерна сплава и, следовательно, повысить его механические свойства. Так, применение кокильных форм вместо земляных для
производства одинаковых отливок из одного и того же сплава приведет к резкому измельчению зерна и повышению механических свойств на 20-30% этих отливок. Применение холодильников всегда приводит к измельчению зерна в зонах отливки, прилегающих к этим холодильникам. Использование непосредственного охлаждения водой при применении непрерывного метода литья слитков обеспечивает получение более мелкокристаллической структуры по сравнению с той, которая получается при литье слитков в изложницы.
Модифицирование путем дезактивациивзвешенных в расплаве примесей
На рис. , а отмечено исходное положение , соответствующее той же степени переохлаждения, как и положение на предыдущей схеме. Величины, представленные кривыми 7 и 2, также имеют аналогичные значения, соответствующие исходному положению I. В отличие от ранее рассмотренного случая, предполагается присутствие в расплаве активированной неметаллической взвеси, способной образовывать готовые поверхности. Ее присутствие вызывает увеличение числа центров кристаллизации против того количества, которое показывает при данной степени переохлаждения соответствующая кривая.
На рис. , а условно показана фактическая величина числа центров кристаллизации. Видно, что она выше аналогичной величины, которая достигается при данной степени переохлаждения в случае спонтанной кристаллизации. Исходное положение, когда активированная взвесь оказывает влияние на ход кристаллизационного процесса, характеризуется прямолинейными отрезками кривых Q; L; ΔТ; кривыми 7 и 2 (см. рис. , б). Модифицирование осуществляется путем дезактивации взвеси. Дезактивация вызовет снижение числа центров кристаллизации до величины, показываемой соответствующей кривой (7). При этом скорость кристаллизации остается неизменной (кривая 2). Следовательно,

Модифицирование путем дезактивации взвешенных частиц(Q - количество тепла, отнимаемое от отливки в единицу времени, отнесенноек единице объема; L - скрытая теплота кристаллизации, выделяющаяся призатвердевании отливки в единицу времени, отнесенная к единице объема;
АТ- степень переохлаждения):
7, 2, II;
• - фактическая величина числа центров кристаллизации
произойдет уменьшение общего количества металла, затвердевающего в единицу времени в единице объема. В связи с этим в переходный период понизится значение величины L (см. выше). В отличие от ранее рассмотренного случая, предполагается, что теплоотвод во внешнее пространство остается неизменным в течение всего процесса затвердевания. Поэтому в исходном положении Q=L, но в переходный период: Q>L. В этом случае, как показывалось ранее - см. предыдущий пример, степень переохлаждения должна постепенно увеличиваться и может достигнуть значения, соответствующего положению (рис. б). Для него характерна высокая величина числа центров кристаллизации, превосходящая исходное значение. При этом величина скорости кристаллизации не должна претерпеть заметного увеличения. На этом этапе затвердевания, когда степень переохлаждения остается относительно высокой, должны создаваться благоприятные условия для образования мелкокристаллических зерен - см. предыдущий пример.
Вместе с тем в этот период должно возрасти общее количество металла, затвердевающего в единицу времени в единице объема, и постепенно превысить количество металла, затвердевавшего в исходном положении, т.е. до проведения операции дезактивации. Соответственно, ход кривой/, показывает вслед за снижением - повышение, достигающее уровня, превышающего постоянное значение величины отдаваемого тепла: Q<Ly
Избыточное количество выделяющегося тепла расходуется на нагрев сплава, температура его повышается, т.е. понижается степень переохлаждения. Соответственно будет понижаться величина числа центров кристаллизации и, следовательно, уменьшается модифицирующее действие дезактивации, что вызовет, в свою очередь, постепенное уменьшение количества тепла, выделяющегося при затвердевании, пока не будет достигнуто равенство: Q4=L4. При этом величина числа центров кристаллизации станет равной исходной величине и модифицирование прекратит свое действие.
Таким образом, в конце процесса кристаллизации становится возможным рост относительно крупных кристаллов. В практических условиях кристаллизация обычно заканчивается, когда достигнутая дезактивацией повышенная степень переохлаждения еще не утратила своего значения и, следовательно, еще сохраняется действие модифицирования.
Как видно, при применении второго метода модифицирования также стремятся увеличить число центров кристаллизации путем повышения степени переохлаждения, как и при применении первого метода. Степень переохлаждения увеличивалась при применении первого метода путем увеличения количества отводимого тепла. При применении второго метода она увеличивается за счет временного снижения количества выделяющегося при затвердевании тепла.
Известно, что дезактивация взвеси обеспечивается перегревом расплава до температуры, изменяющейся в зависимости от состава сплава. После перегрева частицы прекращают свое воздействие на последующий кристаллизационный процесс не только благодаря дезактивации, но также частично вследствие своего необратимого растворения при повышенных температурах, а также всплывания или оседания, ускоряющихся при понижении вязкости металлической жидкости.
Перегретый сплав необходимо охладить в разливочном ковше или тигле до принятой температуры заливки. Нельзя производить заливку излишне перегретого металла, так как повышенное количество тепла, вводимого в форму при заливке, вызовет замедление охлаждения, приводящее к укрупнению структуры.
Модифицирование путем дезактивации нашло постоянное применение в производстве чугунных отливок. Оптимальная температура перегрева чугуна: 1450-1500°С.
Перегрев вызывает повышение степени переохлаждения, благодаря чему температура эвтектической кристаллизации снижается. При неизменном составе чугуна температура эвтектической кристаллизации снижается при повышении температуры перегрева:
Температура перегрева, °С12601420 1590
Температура эвтектической кристаллизации, °С 11521145 1113
Перегрев вызывает измельчение графита и увеличение количества связанного углерода. Количество цементита увеличивается, так как он распадается в меньшей степени при пониженной температуре эвтектической кристаллизации.
Присутствующая в расплаве активная взвесь может состоять из раз- ничных примесей, таких как кремнезем, оксид алюминия, различные алюмосиликаты, например, FeOSi02; MnO Si02.
Опыты А. Г. Спасского и его учеников показали, что алюминий и алюминиево-кремниевые сплавы можно эффективно модифицирован», применяя перегрев до 900°С.
Способы рафинирования и их эффективность для черных и цветных сплавов.
Раскисление стали как процесс рафинирования
После окончания окислительного рафинирования в металле всегда содержатся газы: кислород, азот и водород, которые являются нежелательными примесями. Поэтому возникает необходимость удалять их или переводить в такое состояние, при котором они оказывали бы наименьшее вредное влияние на свойства стали в отливке.Снижение содержания кислорода в стали в результате связывания его в достаточно прочные соединения называют раскислением. Некоторые раскислители одновременно со снижением содержания кислорода способствуют удалению из металла серы и азота. Содержание кислорода в металле зависит от содержания в нем углерода. Чем меньше содержание углерода в стали, тем больше в ней кислорода. Причем эта концентрация кислорода значительно выше равновесной с углеродом. Поэтому в процессе затвердевания металла в форме будут продолжаться реакция окисления углерода и выделение газов СО и С02, что, конечно, недопустимо. При вводе раскислителя в металл, содержащий кислород, образуется продукт раскисления, который может быть газообразным, жидким или твердым.
Одной из задач раскисления является снижение содержания кислорода до такой величины, когда процесс кристаллизации отливки будет протекать без выделения газов. При этом содержание кислорода должно быть значительно ниже равновесного с углеродом, и чем оно ниже, тем лучше. Остаточное содержание марганца в готовом металле должно быть не менее 0,3—0,5%, а кремния — 0,2—0,3%.
Другая задача раскисления состоит в обеспечении возможно меньшего содержания в стали продуктов реакций раскисления — неметаллических включений (НВ) или получении таких НВ, которые оказывают на металл минимально вредное влияние. Такими свойствами обладают НВ размерами <10 мкм. Желательно, чтобы они имели глобулярную форму и распределялись в металле равномерно. Задача трудная и решается с помощью модифицирования НВ. Еще одна задача раскисления сводится к получению мелкозернистого строения металла и решается путем получения мельчайших НВ, выделяющихся из жидкой фазы в твердом виде и играющих роль центров кристаллизации в отливке. На практике элемент-раскислитель вводится в металл не только для снижения содержания кислорода, но и для улучшения механических и других свойств стали. А количество вводимого раскислителя устанавливается при разработке данной марки стали. Поэтому общие требования к раскислителям следующие:
высокое сродство к кислороду;
склонность к образованию оксидов, не растворимых в жидкой стали, легко удаляющихся из нее или приносящих минимальный вред ее свойствам;
низкая стоимость и недефицитность. На практике существует большое количество раскислителей, каждый из которых выбирается в зависимости от марки выплавляемой стали. Распространенным и относительно дешевым раскислителем является марганец. Его вводят в металл чаще всего в виде ферромарганца (75—80% марганца). Он имеет высокое сродство к кислороду и сере.
Хорошим раскислителем является кремний, который в сталь вводят в виде ферросилиция. Он выпускается как с низким (10—20 %), так и с высоким (65—75 %) содержанием кремния. В чистом виде кремний применяют редко. Кремний имеет большее сродство к кислороду,чем марганец.
Конечное раскисление стали практически всегда осуществляется алюминием. Алюминий применяют в технически чистом виде. Он является одним из лучших раскислителей стали. Обладает высоким сродством к кислороду и измельчает зерно аустенита. Остаточное содержание алюминия в сталях обычно составляет сотые доли процента при расходе 0,5—2,0 кг/т. При этом обеспечиваются остаточное содержание кислорода в стали 0,001—0,005% и плотная структура отливок без газовых дефектов. Высокое остаточное содержание алюминия ухудшает свойства отливок не только из-за процессов вторичного окисления, но и вследствие образования пленочных нитридов алюминия по границам зерен. На это обстоятельство необходимо обращать серьезное внимание при выплавке аустенитных и азотсодержащих сталей в дуговых печах, где в зоне дуги идет интенсивная диссоциация молекулярного азота и его поступление в металл. При раскислении сталей алюминием его концентрация не должна достигать равновесной с азотом. В этом случае в жидком металле нитриды алюминия не образуются. Их выделение может происходить в затвердевающей отливке при температурах 900—1100 °С. При этом, чем ниже температура нитридообразования, тем больше пленочных нитридов алюминия выделяется по границам зерен. Это резко снижает свойства литого металла. Нейтрализовать такое специфическое влияние алюминия можно добавками более сильных нитридообразующих элементов, в частности, титана, циркония. Проведенные исследования на азотсодержащей литейной стали 15Х2Н4ДМАФЛ показали невозможность ее раскисления одним алюминием из-за образования пленочных нитридов. В дополнение был предложен титан, который не только позволял хорошо раскислять сталь, но и модифицировать ее и тем самым улучшать свойства (рис. 2.12, 2.13). Однако добавки таких нитридообразующих элементов должны находиться в определенных пределах, когда достигается максимальный эффект. Как правило, это определяется экспериментально для каждой марки стали.Титан и цирконий очень хорошие раскислители, но очень дороги. Их используют при выплавке сталей специального назначения. Применяют в виде ферротитана (18—20% Ti) и ферроциркония (10—15% Zr). Наилучшие результаты достигаются при комплексном раскислении стали алюминием и элементами с высоким сродством к сере, азоту, кислороду. При комплексном раскислении элементы вводят в сталь как раздельно, так и в виде сплавов с таким расчетом, чтобы обеспечить оптимальное содержание алюминия и других элементов, обеспечивающих наилучшие тип, форму, размер неметаллических включений.Широкое применение для раскисления стали нашли лигатуры с редко- и щелочноземельными металлами — церием, лантаном, иттрием, кальцием, барием, магнием. Редкоземельные металлы (РЗМ) обладают очень хорошими раскислительными свойствами, так как имеют высокое сродство к кислороду, сере, азоту. Низкая температура плавления (~ 1000 °С) позволяет вводить их в ковш и даже в форму. Благоприятное влияние РЗМ и ЩЗМ на качество литейных сталей связано с высокой раскислительной способностью, рафинирующим эффектом, глобуляризацией включений. Однако использование этих элементов более эффективно после предварительного раскисления алюминием.
Разностороннее, положительное влияние на свойства стали оказывает ванадий. Он обеспечивает образование мелкозернистой структуры и повышение прочности, износостойкости и других свойств. Вводят его в металл в виде феррованадия (35—45% V), который не только дорог, но и дефицитен. Однако разработанные на Урале технологии плавки ванадийсодержащих сталей с использованием вместо феррованадия ванадийсодержащих шлаков позволяют значительно снизить расходы.
Наиболее сильные раскислители — это кальций, барий, магний. Они имеют высокое сродство к кислороду и сере. Продуктами раскисления являются мелкие глобулярные оксисульфидные НВ, равномерно распределенные по объему металла. Достоинство этих раскислителей состоит еще и в том, что их количество, необходимое для раскисления, не превышает сотых долей процента.
В последние годы широкое распространение получили комплексные раскислители, содержащие несколько элементов, например силикокальций, ферросиликоалюминий и др. Наиболее дешевыми являются комплексные сплавы на основе церия и кремния. Идеальным раскислителем является углерод, так как продукты его раскисления удаляются в газовую фазу. Но его свойство раскислителя проявляется лишь при вакуумировании или продувке металла инертными газами. При обычном давлении углерод может быть раскислителем для шлака при диффузионном раскислении металла.Всего существует три вида раскисления по способу удаления кислорода из металла:
осаждающее;
экстракционное (диффузионное);
вакуумно-углеродное.
1. Осаждающее раскисление заключается в том, что растворенный в металле кислород частично переводят в оксиды элементов — раскислителей, которые добавляют в сталь. Образовавшиеся оксиды всплывают на поверхность металла и ассимилируются со шлаком.
.Экстракционное (диффузионное) раскисление осуществляют путем наведения на поверхности металла шлака, у которого окисленность во много раз меньше, чем у шлаков окислительного рафинирования. Происходит перераспределение кислорода в металле и шлаке, так как в новом шлаке содержится минимальное количество оксидов железа (0,1—0,5% FeO). При этом продукты раскисления не остаются в металле, но требуется большой расход материалов и времени. Кроме того, весь фосфор, находящийся в шлаке, может перейти в металл.
Этот способ раскисления применяется при обработке стали синтетическими шлаками.
3. Вакуумно-углеродное раскисление связано со смещением равновесия реакции окисления углерода [С] + [О] = {СО} вправо, снижением парциального давления СО в газовой фазе в вакууме или при продувке инертным газом. Степень раскисления металла углеродом на практике существенно ниже, чем теоретическая, так как металл во время вакуумирования соприкасается с футеровкой агрегата и при этом происходит восстановление оксидов футеровки, например оксидов кремния, что повышает концентрацию не только кислорода в металле, но и некоторых примесей до недопустимо высоких пределов. При вакуумировании необходимо иметь футеровку из стойких оксидов типа магнезита или доломита. Раскисление металла в плавильном агрегате сопровождается значительным угаром раскислителя. Его проводят, когда необходимо ввести большое количество труднорастворимых раскислителей и невозможно предварительно их расплавить. Раскисление в агрегате преимущественно осаждающее, но в дуговых печах возможно и экстракционное раскисление.
Самым распространенным считается осаждающее раскисление в ковше, так как оно самое дешевое. Недопустимо лишь введение в ковш большого количества труднорастворимых раскислителей
.Экстракционное (диффузионное) раскисление осуществляют путем наведения на поверхности металла шлака, у которого окисленность во много раз меньше, чем у шлаков окислительного рафинирования. Происходит перераспределение кислорода в металле и шлаке, так как в новом шлаке содержится минимальное количество оксидов железа (0,1—0,5% FeO). При этом продукты раскисления не остаются в металле, но требуется большой расход материалов и времени. Кроме того, весь фосфор, находящийся в шлаке, может перейти в металл.
Этот способ раскисления применяется при обработке стали синтетическими шлаками.
3. Вакуумно-углеродное раскисление связано со смещением равновесия реакции окисления углерода [С] + [О] = {СО} вправо, снижением парциального давления СО в газовой фазе в вакууме или при продувке инертным газом. Степень раскисления металла углеродом на практике существенно ниже, чем теоретическая, так как металл во время вакуумирования соприкасается с футеровкой агрегата и при этом происходит восстановление оксидов футеровки, например оксидов кремния, что повышает концентрацию не только кислорода в металле, но и некоторых примесей до недопустимо высоких пределов. При вакуумировании необходимо иметь футеровку из стойких оксидов типа магнезита или доломита. Раскисление металла в плавильном агрегате сопровождается значительным угаром раскислителя. Его проводят, когда необходимо ввести большое количество труднорастворимых раскислителей и невозможно предварительно их расплавить. Раскисление в агрегате преимущественно осаждающее, но в дуговых печах возможно и экстракционное раскисление.
Самым распространенным считается осаждающее раскисление в ковше, так как оно самое дешевое. Недопустимо лишь введение в ковш большого количества труднорастворимых раскислителей
Самым распространенным считается осаждающее раскисление в ковше, так как оно самое дешевое. Недопустимо лишь введение в ковш большого количества труднорастворимых раскислителей
133794573025
С Схема установки для вакуумирования в ковше:
1 — вакуумная камера; 2 — крышка; 3 — смотровое окно; 4 — ковш с металлом

Вакуумирование в ковше осуществляется следующим образом: сталеразливочный ковш 4 с расплавленным металлом помещают
в специальную камеру 1,которую герметично закрывают и в ней создают вакуум. Сталь выдерживают под низким давлением некоторое время. Одновременно в ковше металл может принудительно перемешиваться, нагреваться. Попадание шлака с металлом нежелательно. При откачке воз духа из камеры металл начинает кипеть (нераскисленные стали кипят интенсивнее раскисленных) уже при давлении 60—80 кПа; чем ниже остаточное давление, тем выше интенсивность кипения. По мере ее снижения в ковш можно вводить необходимые легирующие элементы.
Этот способ вакуумирования имеет следующие достоинства: простота оборудования, относительно малые теплопотери, он хорошо вписывается в технологическую цепочку цеха.
При вакуумировании в ковше водород удаляется до содержания 1,5—2,5-!!!10%, что составляет 50—75%. Существенно сказывается на величине остаточного содержания водорода степень раскисленности стали. Нераскисленная сталь дает лучшие результаты. Азот не очень хорошо удаляется из металла, степень удаления азота не превышает 20%. Кислород удаляется из металла до 50%. Кроме того, в стали после вакуумирования остается значительно меньше оксидных неметаллических включений. Чтобы улучшить процессы вакуумирования, металл в ковше перемешивают, например, продувкой аргоном через пористую пробку, установленную в днище ковша. Этот способ вакуумирования, главным образом, применяют при производстве высокохромистых сталей. При этом достигают содержания углерода 0,015—0,020% и усвоения хрома до 98,0%. Наиболее эффективным способом вакуумирования в ковше является процесс VAD, в котором используют электродуговой подогрев металла во время вакуумирования и продувку аргоном через пористые пробки в днище ковша.
Главным недостатком вакуумирования в ковше является невысокая его эффективность, что и вызвало появление многих разновидностей этого способа.
Продувка стали инертными (нейтральными) газами в ковше обеспечивает: выравнивание и корректировку температуры металла, точное регулирование химического состава металла, ускорение расплавления и распределения легирующих элементов в объеме ковша, повышение чистоты металла по оксидным включениям.
В качестве продувочных газов можно использовать аргон, гелий, азот, оксид углерода. Самое большое распространение получил аргон с плотностью 1,78 кг/м3. Получают его при ректификации жидкого воздуха. Продувку гелием практикуют в основном в США. Азот используют для продувки сталей, не содержащих нитридообразующих элементов (хром, титан, ванадий и др.).
Сущность обработки состоит в том, что металл в ковше продувают инертным газом через специальные устройства. Расход, например, аргона обычно составляет 0,2—0,5 м3/т. Этот способ улучшения качества металла нашел широкое применение во всем мире, так как для его осуществления не требуется сложного оборудования, и процесс легко вписывается в технологию цеха; не требуется больших капиталовложений, невысоки и производственные расходы.
Дегазирующее действие нейтрального газа основывается на том, что вследствие разности парциальных давлений газов в металле и в пузырьках нейтрального газа, пронизывающих расплав, пузырьки поглощают газ и выносят его в атмосферу.
Самым простым устройством для продувки металла газом являются различного рода пористые вставки, блоки, пробки. Обычно их изготавливают из качественных огнеупорных материалов (корунд Аl203, благородная шпинель MgO • Аl203, корунд-муллит, сложные смеси на основе огнеупорной глины и шамота в смеси с цементом).
Наилучшие результаты были получены при продувке через пористые огнеупоры. Их (пористые вставки, блоки) вставляют в днище ковша как стационарно, так и с возможностью замены. Недостаток этого способа состоит в возможности прохода газа между пористой пробкой и футеровкой ковша, что может послужить причиной серьезной аварии.
Надежными являются продувочные устройства автономного типа, которые монтируют в футеровке днища.
При продувке стали аргоном можно достичь степени удаления водорода 45—70 %, азота 25—65%. Температура стали за время продувки снижается со скоростью до 3°С/мин. Тепло теряется как на нагрев газа, так и на излучение с поверхности ковша. В результате продувки обеспечивается достаточно высокая однородность металла в отливках после кристаллизации. При совмещении продувки стали с обработкой ее синтетическими шлаками для удаления серы
получено увеличение коэффициента распределения серы в 2—2,5 раза больше, чем при обработке стали только шлаками. При продувке металла удается сместить равновесие реакции окисления углерода в сторону образования СО. Это успешно используют при выплавке низкоуглеродистых высокохромистых сталей.
Рафинирование стали жидкими синтетическими шлаками было впервые предложено в 1925 г. инженером А. С. Точинским. Технология этого процесса проста и заключается в следующем. Порцию шлака в количестве 3—6% от массы металла помещают в сталеразливочный ковш, а затем в него выпускают сталь. Струя жидкой стали, падая с высоты 2—4 м, хорошо перемешивает шлак и поверхность взаимодействия его с металлом резко возрастает, т.е. увеличивается скорость перехода вредных примесей (сера, фосфор) из металла в шлак. Степень десульфурации может достигать 75%; уменьшается и количество неметаллических включений в готовой стали. Коэффициент распределения серы между металлом и шлаком колеблется от 25 до 80. Эффективность обработки стали шлаками зависит от:
относительного количества шлака;
состава шлака;
—режима взаимодействия с металлом (конструкция устройства, где будет проходить обработка);
температуры плавления шлака;
вязкости;
—межфазного натяжения на границе с металлом и др. Температура плавления шлака не должна быть выше 1400—1500 °С,
так как обрабатываемый металл имеет температуру более 1550 °С, и шлак хорошо сохраняет свою жидкоподвижность. После рафинирования синтетическими шлаками сталь становится более пластичной и обладает повышенной ударной вязкостью, кроме того, существенно снижается анизотропия механических свойств.
Самыми распространенными синтетическими шлаками являются известково-глиноземистые. Их обычный состав, %: СаО 3—55; Аl203 43—45 и небольшое количество примесей: Si02 — менее 3 % и FeO — менее 1%. Такой шлак можно получить в электродуговой печи с угольной футеровкой. Шихтой служат обожженная известь и электрокорунд.
Применяют и известково-железистые шлаки (60—65% СаО и 20—35% FeO), позволяющие получать высокую степень дефосфорации при обработке сталей. Но работа с такими шлаками часто сопровождается выбросами металла из ковша вследствие высокой скорости окисления углерода.
Существует практика применения синтетических кислых шлаков, но их целесообразно использовать лишь для раскисления стали. При этом получают некоторое снижение кислорода в металле, а главное — существенное снижение количества НВ и изменение их характера. Основными недостатками технологии обработки стали синтетическими шлаками можно считать высокую стоимость и дефицитность составляющих шлака (электрокорунд) и некоторое снижение температуры стали.
Рафинирование металла шлаками в режиме противотока осуществляют на специальном электромагнитном желобе. Сущность процесса обработки состоит в том, что металл из приемного резервуара поднимается по электромагнитному желобу вверх (угол наклона 4—10°), а навстречу ему поступает шлак (жидкий или твердый). Особенно эффективно применение такого желоба для обработки металла синтетическими шлаками для удаления серы, так как коэффициент распределения серы может достигать 50—100 единиц. Длина желоба, необходимая для снижения содержания серы в 3—5 раз, должна быть не менее 6—10 м. Потери температуры при этом составят 1 —1,5 °С на 1м длины. Достоинства этого способа рафинирования металла: простота устройства и отсутствие в нем вращающихся частей, пониженный расход шлака на десульфурацию, непрерывность процесса.
Недостатки: низкая стойкость футеровки желоба; часть металла, поднимающаяся вверх, стекает по краям желоба обратно в приемный резервуар, снижая эффективность работы желоба.
Рафинирование алюминиевых сплавов.
По технологическим признакам процессы рафинирования можно разделить на три основные группы: 1) поверхностное рафинирование; 2) рафинирование в струе; 3) рафинирование пузырьками.
Обработка газами
Действие инертных газов основано на адсорбции и диффузии на пузырьках газа, проходящих через расплав,
Процесс рафинирования осуществляется в печи или раздаточном тигле. При этом газ через кварцевую трубку или через пористый керамический насадок вводят в расплав (наиболее эффективна пористая керамика). Продолжительность рафинирования 7 – 10 минут, после чего с поверхности расплава снимают шлак и производят заливку. Применяются хлористые соли цинка и марганца. Действие хлористых солей основано на реакции: Al + 3MeCl3 = AlCl3 + 3Me, в результате которой образуется хлористый алюминий, обладающий высокой упругостью пара. Рафинирующий эффект оказывают пузырьки хлористого алюминия, на которых адсорбируются газы и твёрдые включения. Перед употреблением хлористый цинк необходимо переплавить, так как он очень гигроскопичен. Переплавка хлористого цинка должна производится в стальном ковше ёмкостью 1 – 3 кг при температуре 350 – 425°С. Расплавленный хлористый цинк выдерживают при этой температуре до появления на поверхности расплава белых паров. Обезвоженный хлористый цинк выливают в сухой стальной противень или в специальные металлические формочки и хранят в термостате при температуре 110 – 120 °С. Хлористый цинк необходимо вводить в расплав горячим с помощью стального колокольчика, которым одновременно перемешивают сплав.
Операцию рафинирования считают законченной после прекращения выделения из металла пузырьков газа. После рафинирования с поверхности расплава снимают шлак, сплав выдерживают 5 – 10 минут и разливают по формам.
Обычно в расплав вводят хлористый цинк не более 0,2 % от массы шихты. Применяют и хлористый марганец, который вводят в количестве 0,05 – 0,1 % от массы расплава, он менее гигроскопичен. Хлористый марганец перед употреблением достаточно просушить в сушильном шкафу при температуре 110 – 115 °С.
Используются инертный газ, аргон. Можно применять азот, он химически мало активен, но дает химические соединения с такими активными металлами как магний, алюминий при температуре ~ 680°С, иногда его можно заменить воздухом.
Рафинирование воздухом является малозатратным процессом, так как не требуется дополнительных расходов на рафинирующие материалы.
Обработка флюсами
В качестве рафинирующего флюса для всех сплавов, кроме сплавов системы Al-Mg и Al-Mg-Si, рекомендуется применять высококриолитный флюс следующего состава: 47 % KCl; 30 % NaCl; 23 % Na3AlF6. Этот флюс с плотностью в жидком состоянии 1600 кг /м и температурой плавления 700°С растворяет до 0,66 % и адсорбирует до 10 % (по массе) окиси алюминия.
В качестве покровно-рафинирующего флюса для сплавов систем Al-Mg и Al-Mg-Si применяют флюс следующего состава: 60 % MgCl2*KCl, 40 % CaF2.
В группу рафинирующе-модифицирующих флюсов для сплавов системы Al- Si входят универсальные флюсы.
Дегазирующие и рафинирующие свойства флюсов значительно выше, чем хлористых солей.
Фильтрация
В сетчатых фильтрах твёрдые неметаллические включения, размеры которых больше размера ячеек фильтра, задерживаются механически. Сетчатые фильтры изготавливают из стеклоткани. Эффективность отчистки тем выше, чем меньше размеры ячеек фильтра, действие сетчатых фильтров ограничивается вязкостью расплава и его поверхностной активностью. Например, через стеклоткань с размерами ячеек меньше 0,4 мм алюминиевые сплавы не фильтруются. «Активные» фильтры, в которых задержка неметаллических включений является результатом главным образом адсорбции, изготавливают из огнеупорной крошки (шамот, магнезит), пропитанной рафинирующим флюсом, или непосредственно из кусочков этого флюса. Состав солевого сплава должен быть подобран таким образом, чтобы он хорошо смачивался окисью алюминия. Например, в качестве фильтрующего флюса в фасонном литье применяют флюс следующего состава: 55 % фтористого кальция, 45 % фтористого натрия, размер должен быть 10-15мм.,толщина 90-100мм. Активные фильтры отчищают расплав от твёрдых неметаллических включений и от газов значительно лучше, чем сетчатые фильтры, и позволяют в 10-15 раз снизить загрязнённость алюминиевых сплавов неметаллическими включениями.

Обработка расплава ультразвуком
При прохождении упругих колебаний через жидкую среду (расплав) наблюдается явление кавитации, приводящее к разрыву сплошности в жидкой фазе с образованием пустот, в которые устремляется растворённый в жидкости (расплаве) газ. Вследствие этого упругие колебания звуковой и особенно ультразвуковой частоты способствуют формированию зародышей газовых пузырьков и стимулируют их дальнейший рост в жидкой фазе и коалесценцию до размеров, обеспечивающих активное выделение газа из жидкости (расплава).
Обработка в вакууме
При понижении давления над расплавом водород энергично выделяется из него. Происходит быстрое падение концентрации водорода во всём объёме металла. Поскольку водород адсорбирован на твёрдых неметаллических включениях, он или увлекает их с собой на поверхность расплава, или эти частицы (если они обладают большой плотностью) оседают на дно ванны.
Обработка в вакууме позволяет удалять из расплава водород и окисные включения более эффективно, чем методами, основанными на адсорбции.
Вакуумирование с применением флюса позволяет резко уменьшить два фактора, препятствующих удалению водорода: давление внешней газовой фазы и поверхностное
Рафинирование магниевых расплавов ведут с целью удаления взвешенных неметаллических включений, водорода и примеси железа.
Самый простой способ отделения взвешенных неметаллических включений — отстаивание, операцию ведут обычно при 750 °С, с увеличением температуры и времени выдержки эффективность очистки возрастает. Однако данный способ малопроизводителен, особенно в случае отделения небольших по размерам частиц. Эффективным способом очистки является обработка расплава флюсом. Так же как и в случае алюминиевых сплавов, в основе этого способа лежит процесс адсорбции включений жидкими солями. Эффективность очистки определяется величиной поверхности контакта металла с флюсом и возрастает по мере ухудшения смачивания включений металлом в среде флюса и уменьшения межфазного натяжения на границе металл—флюс. При плавке в стационарном тигле для рафинирования применяют флюс ВИ2; при ведении этой операции в выемном тигле используют флюс ВИЗ. Перед рафинированием расплав нагревают до 700—720 °С, удаляют покровный флюс и вводят в сплав бериллий (0,001—0,002 %) или кальций (0,05 %).
Для рафинирования на поверхность расплава засыпают порцию молотого рафинирующего флюса (1 % от массы расплава), расплавляют его, затем замешивают в расплав на 2/3 высоты тигля. Замешивание флюса производят плавными движениями ложки-шумовки в направлении сверху вниз. При замешивании периодически подсыпают свежий флюс. Рафинирование считается законченным, когда поверхность расплава приобретает зеркально-блестящий вид. Повышение температуры расплава и времени выдержки его после перемешивания способствует более полному отделению взвешенных частиц.
В производственных условиях рафинирование ведут по следующему режиму: температура расплава 700—720 °С; продолжительность замешивания флюса 5—6 мин; удаление использованного и нанесение свежего флюса; нагрев до 750—780 °С; отстаивание при этой температуре 10—15 мин; снижение температуры расплава до температуры заливки; заливка форм.
Рафинирующее действие флюсов основано на том, что хлористый магний, входящий в состав флюса, смачивает включения оксида магния, связывает их в хлороксид (MgCl2-5Mg0) и способствует их коагуляции. Во избежание насыщения сплава водородом рафинирующие флюсы не должны содержать влаги. Более глубокая очистка от неметаллических включений может быть достигнута при пропускании тонких струй расплава через жидкие флюсы.Эффективность флюсовой обработки определяется совокупностью физико-химических свойств флюса и его активности по отношению к оксиду магния. Так же как и при рафинировании алюминиевых сплавов, пригодность флюса для рафинирования оценивают величиной работы адгезии включений к расплаву в среде флюса Wt (ф). Контроль степени очистки расплава от оксидных включений производят по излому. Черные пятна в изломе указывают на присутствие оксида магния ; включения флюса имеют серый цвет. Наряду с очисткой от неметаллических включений обработка флюсом сопровождается частичной дегазацией расплава. Более глубокую дегазацию магниевых расплавов осуществляют продувкой газами (азот, аргон, хлор) или обработкой гексахлорэтаном (С2С1в). Продувку азотом (0,5 %) ведут при 660—685 °С; при более высокой температуре расплав обогащается нитридами магния. Обработку аргоном и хлором ведут при температуре расплава 740—760 °С. При продувке хлором образуется хлорид магния, способствующий удалению из расплава оксидных включений. Тонкая взвесь хлорида магния облегчает образование пузырьков водорода. Дегазацию хлором совмещают в ряде случаев с операцией модифицирования. Для этого расплав продувают смесью хлора с четыреххлористым углеродом. Последовательная продувка магниевых расплавов углекислым газом и гелием или четыреххлористым углеродом и гелием обеспечивает снижение содержания водорода в них до 8—10 см3/100 г. Длительность продувки газом определяется объемом расплава и выбирается в пределах 15—30 мин. Расход газа составляет 0,5—3 % от массы расплава.
Для получения плотных отливок в магниевые сплавы рекомендуется вводить присадки (0,1 %) циркония, церия или кальция. Образуя с водородом устойчивые гидриды, эти элементы предотвращают образование газовой пористости в процессе кристаллизации. Однако следует иметь в виду, что склонность циркония к образованию гидридов подавляется цинком. В расплавах, содержащих более 1 % цинка, образуется не гидрид циркония, а цирконид цинка (Zn.2Zr3). Введение кальция в расплавы системы Mg—А1—Zn—Mn сопровождается обогащением их оксидными пленами.
Практика производства магниевых сплавов в печах большой емкости показывает, что рафинирование расплавов флюсами с последующим отстаиванием не обеспечивает необходимого уровня очистки от взвесей. В темплетах слитков, отлитых из таких расплавов, обнаруживается значительное количество включений флюса и оксидных плен, максимальная площадь которых достигает 50—80 мм2. Полуфабрикаты, изготовленные из таких слитков, имеют пониженные пластические свойства и коррозионную стойкость.
Значительно более высокий уровень очистки магниевых расплавов от неметаллических и флюсовых взвесей получается при фильтровании расплавов через сетчатые или зернистые фильтры. Так, применение сетчатого фильтра из стали с размером ячейки 1 X 1 мм позволило в 4 раза снизить содержание оксидных включений в сплавах МА2 и МА14 по сравнению с нефильтрованным расплавом; максимальная площадь плен при этом не превышала 15 мм2. Еще более тонкая очистка достигается при фильтровании через зернистые фильтры толщиной 100—150 мм, изготовленные из магнезита, графита и других материалов. Механизм работы таких фильтров описан выше. По мере уменьшения размера зерна фильтра и }пзеличения толщины фильтрующего слоя эффективность очистки возрастает. Следует иметь в виду, что сетчатые и зернистые фильтры при фильтровании магниевых расплавов теряют пропускную способность значительно быстрее, чем при фильтровании алюминиевых сплавов.
Как показал длительный промышленный опыт, фильтрование магниевых расплавов через зернистые фильтры из магнезита позволяет почти полностью ликвидировать брак по пленам и флюсовым включениям при производстве фасонных отливок.
Фильтры из углеродных материалов (кокс, электродный бой) и комбинированные (чередующиеся слои магнезита и кокса) наряду с очисткой от неметаллических включений оказывают модифицирующее воздействие на сплавы, содержащие алюминий (МЛЗ, МЛ4, МЛ5, МЛ6). Они позволяют совместить операции очистки расплавов от плен и модифицирования при заполнении литейных форм. Очистку магниевых сплавов от железа проводят с целью повышения их коррозионной стойкости. Железо удаляют обычно путем в ведения в перегретый расплав (800—850 °С) присадок марганца, циркония или титана в количестве 0,3—0,4 % от массы расплава. Последующая выдержка расплава в течение 20—30 мин при 700°С сопровождается образованием кристаллов фазы, содержащей железо и добавленные присадки. Эти кристаллы собираются на дне тигля. Введением присадок содержание железа в магниевых сплавах может быть снижено до тысячных долей процента. Введением циркония и титана можно также снизить содержание примесей марганца, никеля, кремния, алюминия и олова.
Модифицирование сплавов системы Mg—Al—Zn осуществляют введением в расплав углеродсодержащих веществ или перегревом. Устойчивые результаты по измельчению зерна получают при использовании магнезита, мрамора, мела, гексахлорэтана, углекислого газа. Выделяющийся углерод образует в расплаве карбид алюминия, мелкодисперсные частицы которого служат центрами кристаллизации при охлаждении сплава. При модифицировании гексахлорэтаиом между расплавом и модификатором проходит химическая реакция,



образуется атомарный углерод, необходимый для образования карбида алюминия. Недостатком данных модификаторов является возможное загрязнение расплавов оксидами и водородом, что влечет за собой образование микрорыхлот и снижение механических свойств сплавов. К числу недостатков углеродсодержащих модификаторов следует также отнести кратковременность сохранения эффекта модифицирования. Перспективно применение активных углеродсодержащих фильтров, позволяющих совместить модифицирование и очистку расплавов от неметаллических включений.
Для измельчения зерна перегревом расплав после рафинирования нагревают в стальном тигле до 850—925 °С, выдерживают при этой температуре 10—15 мин, а затем быстро охлаждают до температуры заливки (680—720 °С). Предполагают, что перегрев влечет за собой обогащение расплава железом за счет растворения стального тигля. Быстрое охлаждение насыщенного железом расплава приводит к образованию большого числа тонкодисперсных частиц FeAL, являющихся центрами кристаллизации, и сопровождается измельчением зерна в отливках. Модифицирование перегревом проходит успешно, если в сплаве содержатся железо (0,001 %) и марганец (0,2 %).
Раздел2. Литьё в песчаные формы. Формовочные материалы, их назначение и свойства. Способы формовки (ручная, прессованием, импульсная, встряхиванием, вакуумно-плёночная, по газифицируемым моделям, оболочковое литьё и т.д. Виды дефектов, меры по предотвращению их образования. Особенности структуры и свойств отливок Литьё в разовые песчаные формы
Последовательность технологического процесса получения отливок в разовой песчано-глинистой форме приведена на рис. Весь цикл изготовления отливки состоит из ряда основных и вспомогательных операций, осуществляемых как параллельно, так и последовательно в различных отделениях литейного цеха. Модели, стержневые ящики и другую оснастку изготовляют, как правило, в модельных цехах. Литейная разовая песчано-глинистая форма в большинстве случаев состоит из двух полуформ: верхней и нижней, которые получают уплотнением формовочной смеси вокруг соответствующих частей (верхней и нижней) деревянной или металлической модели в специальных рамках – опоках.
Выбор оптимального положения отливки в форме при заливке и затвердевании металла.
Выбор рациональной поверхности разъема формы и модели.
Положение отливки в форме в значительной степени определяет качество отливки. Поэтому, при выборе положения отливки в форме необходимо руководствоваться следующими правилами. Если имеется возможность расположить отливку в одной полуформе это необходимо использовать для повышения размерной точности отливок и предотвращения дефектов «перекос», «разностенность», «смещение» и др. Если это не удается, тогда наиболее ответственные и обрабатываемые части отливки, тонкие стенки и ребра необходимо располагать внизу, вертикально или наклонно. Положение отливки в форме должно обеспечивать направленное затвердевание от тонких частей к толстым и от толстых к прибылям, т.е. наиболее массивные части отливки и толстые стенки должны располагаться в верхней полуформе.
Условная поверхность, разделяющая отливку на две части (для возможности извлечения их из полуформ верха и низа) должна быть по возможности плоской и очень часто эта поверхность (плоскость) совпадает с плоскостью симметрии отливки. Поверхность, разделяющая отливку на две части совпадает с поверхностью раздела литейных полуформ и моделей и называется поверхностью или плоскостью разъема

Положение отливки в форме и плоскость её разъёма выбирают на основе следующих положений:
1. Располагать по возможности отливку в одной полуформе, а наиболее ответственные поверхности детали с наименьшей шероховатостью ― нижними или боковыми.
2. Соблюдать принцип направленной кристаллизации. Для этого массивные и толстые части отливки располагать вверху, более тонкие ― внизу.
3. Обеспечить поступление жидкого металла в полость формы снизу (сифоном) или по разъёму формы ламинарным потоком.
4. Применять принцип минимального количества стержней, формирующих внутренние полости отливки. По возможности использовать вместо стержней «болваны» - выступающие части собственно литейной формы.
5. Модели отливки, выполняемые при выбранной плоскости разъема, должны обеспечивать
формуемость, т.е. легко извлекаться из уплотненной формовочной смеси без разрушения конфигурации отпечатка модели.
6. В самом простом варианте плоскость разъема назначается по плоскости симметрии детали, если таковые имеются.
7. Отливку (на рис. а, а для примера приведена отливка-гильза) в литейной форме следует располагать таким образом, чтобы её наибольший габаритный размер (L > D) находился в плоскости разъема модельной формы. При этом важно соблюдать правило, согласно которому суммарная высота опок должна быть минимальной. Для выполнения этого правила и уменьшения суммарной высоты опок в некоторых случаях разъем делается ступенчатым (рис. , б);
8. Отливки, требующие установки прибыли 1 (рис., в), в форме располагают так, чтобы массивные части или тепловые узлы находились в плоскости разъема или в верхней ее части;
9. У отливок, не требующих установки прибыли, массивные части отливки следует располагать в нижней части формы для возможной установки холодильника 2 (рис. , г);
10. Отливку следует размещать в форме так, чтобы для выполнения полостей использовался один стержень 3 на две отливки (рис. , д)
11. Для устранения образования газовых раковин положение отливки в форме должно обеспечивать верхний отвод газов из стержней (через верхние знаковые части). Вариант положения отливки в форме на рис. 4.1, е является неправильным, так как выход газа из стержня затруднен и может происходить только вниз через знак (для исключения всплытия стержня необходимо использовать жеребейки 4). Поэтому правильнее выбрать положение отливки в форме, как показано на рис. , ж. При этом стержень 3 с обратным уклоном у знака можно заформовать смесью в верхней полуформе, предварительно установив его в углубление в модели. В этом случае отпадает необходимость в использовании жеребеек.

Рисунок - Положение отливки в форме:
а, б – горизонтальное и вертикальное расположение отливки-гильзы в форме;
в, г – варианты расположения отливки в форме;
1 – прибыль; 2 – холодильник; 3 – стержень; 4 – жеребейка;
МФ – разъем модели и формы в направлении верха (В) и низа (Н);
L, D – длина и диаметр отливки
Припуски на механическую обработку отливки.
Припуск на механическую обработку – толщина слоя металла, удаляемого с поверхности отливки при ее обработке в целях обеспечения заданных размеров, формы, расположения, неровностности и шероховатости поверхности детали.
Верхняя опока может сместиться относительно нижней на величину зазора, а в центрирующих штырях с соответствующим смещением всех вертикальных поверхностей, формуемых в верхней опоке, в результате чего номинальная толщина стенок может сильно измениться.Отклонения горизонтальных поверхностей происходят в результате неточной установки стержней в вертикальном направлении, попадания сора на поверхности стыка опок и стержней и т. д. Как правило, поверхности, формуемые в нижней опоке, точнее поверхностей, формуемых в верхней опоке; поверхности, формуемые моделью, точнее поверхностей, формуемых внутренними стержнями.
Другие причины неточностей: отклонения размеров модельного комплекта от номинала; изменение размеров стержней при сушке; рассыхание моделей при хранении; изменение размеров формы в результате расталкивания моделей при выемке; колебания усадки из-за различной податливости стержней; коробление отливки под действием усадочных напряжений. Поверхности, формуемые стержнями, могут сместиться относительно поверхностей, формуемых моделью, из-за неточной установки стержня в форме. Наибольшей величины достигают смещения в верхней полуформе, где суммируются смещения полуформы и стержня.Величина припуска зависит не только от точности отливки, но и от требований к точности детали, а также технического уровня (точности) систем механической обработки.
Таким образом, выбор правильной, экономически целесообразной величины припуска на обработку зависит от совместной работы технолога-литейщика и, в последующем, технолога по механической обработке.
Общий припуск на обработку ZОБЩ соответствует расстоянию между серединами полей допусков детали и отливки и является суммарным на все переходы механической обработки:

где Zi – припуск на выполнение i-перехода, n – общее число переходов.
Схема припуска на обработку представлена на рис.

Рисунок - Схема припуска на обработку:
Zmin, Zобщ – минимальный и общий припуски на обработку;
No.min, No.max – минимальный и максимальный размеры отливки;
NД, No – номинальные размеры детали и отливки;
ТД.общ – общий допуск детали; То.общ – общий допуск отливки
Припуск на механическую обработку на выполнение i-гo перехода определяется двумя составляющими: параметром качества поверхностного слоя П1(i-1) на (i-1)-ом переходе и параметром геометрической точности П2i детали после каждого i-ro перехода механической обработки:

На первом переходе параметр П1(i-1) равен исходному литейному припуску, который формируется на отливке (на нулевом переходе обработки). На всех последующих переходах припуск формируется в соответствии с технологией механической обработки.
Для механической обработки и контроля геометрии необходимо выбрать базы – то есть поверхности, от которых идет отсчёт размеров. При выборе баз литой детали (технологические базы) необходимо руководствоваться следующим.
Желательно, чтобы технологические базы совпадали с конструктивными.
Количество баз должно быть достаточно для точной фиксации отливки в приспособлении для контроля геометрии и механической обработки. Обычно предусматриваются поверхности в трёх взаимно перпендикулярных направлениях.
В качестве баз рекомендуется выбирать необрабатываемые поверхности отливки, а при невозможности такого выбора за базу принимают поверхности, расположенные при заливке снизу.
Базовые поверхности должны выполняться тем же элементом формы, что и поверхность, обрабатываемая от этой базы.
Базовая поверхность должна оформляться одним элементом формы.
На базовой поверхности не должно быть следов питателей, выпоров, прибылей.
За базовые поверхности следует принимать поверхности простой конфигурации. Если отливка не имеет поверхностей, которые можно принять в качестве базовых, то на отливке следует предусмотреть специальные технологические приливы, выполняющие роль искусственных баз.
АЛГОРИТМ ПОИСКА ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И СООТВЕТСТВУЮЩИХ ИМ ДОПУСКОВ
Определение точностных характеристик и соответствующих им допусков и припусков отливок производится в следующей последовательности:
1) Находим точностные характеристики отливки (п.5.1. ГОСТ 26645–85):КР – класс размерной точности отливки (табл.9 этого же ГОСТа);
СК – степень коробления (табл.10 этого же ГОСТа);
СП – степень точности поверхности (табл.11 этого же ГОСТа);
КМ – класс точности массы (табл.13 этого же ГОСТа);
ТСМ – допуск смещения (п.2.7. ГОСТ 26645–85, табл.1).
2) Для обрабатываемых поверхностей определяем ряд припуска РП (табл.14 ГОСТ 26645–85).
3) Определяем схему механической обработки (см. подраздел 6.3.).
4) Определяем номинальный размер от базы до обрабатываемой поверхности (для поверхностей вращения и противоположных поверхностей, используемых в качестве взаимных баз при их обработке, принимаем соответственно диаметр и номинальный размер между поверхностями – п.4.2.1 ГОСТ 26645–85).
5) Определяем вид размера (ВР) (п.2.2. ГОСТ 26645–85).6) Определяем класс точности размера (п.2.2. ГОСТ 26645–85).7) Определяем допуск размера (табл.1 этого же ГОСТа).
8) Определяем другие погрешности, влияющие на величину общего допуска и, соответственно, припуска.
Для п.8 возможны варианты:
- погрешности формы и расположения (табл.2 этого же ГОСТа);
- погрешности смещения, вызванные перекосом стержня (п.2.8. ГОСТ 26645–85);- позиционный допуск равен половине допуска на размер;
- погрешность смещения для размеров ВР1 (погрешность смещения для размеров видов ВР2 и ВР3 – учтена).
9) Определяем общий допуск с учетом найденных погрешностей (табл.16 ГОСТ 26645–85) по схеме (рис.), при этом отдельные составляющие общего допуска предварительно следует расположить в последовательности: Т1 > Т2 > Т3 > Т4.
Определяем четыре значения припуска (табл.6 этого же ГОСТа) для Тобщ и РП.
Определяем вид механической обработки (табл.7 и 8 этого же ГОСТа) (с учетом требований к детали) и окончательно находим припуск.

Рисунок - Схема к определению общего допуска
В качестве примера выбрана деталь автомобиля – ступица заднего колеса автомобиля ЗИЛ, работающая при динамических нагрузках .Исходные данные: материал КЧ35–10, наибольший габаритный размер 326 мм, масса 22 кг, сложность отливки – средняя, термообработка – графитизирующий отжиг, способ литья – в сырые песчано-глинистые формы из смеси с влажностью от 3,5 до 4,5 %, с прочностью от 60 до 120 КПа и твердостью не ниже 70 ед., уровень механизации производства – машинное поточно-механизированное, культура производства – средняя. Технический уровень технологии механической обработки – средний (табл. 15, приложение 7 ГОСТ 26645–85).
1) По табл. 9 ГОСТ 26645–85 для заданного технологического процесса, габаритного размера 326 мм и сплава КЧ 35-10 (термообработка) находим интервал классов точности размеров 9-13, согласно примечанию берем КР 11.
2) По табл. 10 ГОСТ 26645–85 находим степень коробления элементов отливки: фланца (рис. 4.5) и внутреннего цилиндра отливки (рис. 4.6).
При определении степени коробления фланца за высоту принимается толщина h = 27 мм, за длину диаметр D = 326 мм, h/D = 0,083.
При определении степени коробления цилиндра за высоту принимается диаметр d = 136 мм, за длину L = 230 мм, d/L = 0,59. Для отношения h/D = 0,083 (фланец) с учетом разовой формы и термообработки отливки попадаем в интервал 6-9, в соответствии с примечанием принимаем СК8.
Для отношения d/L = 0,59 с учетом разовой формы и термообработки отливки попадаем в интервал 4-7, в соответствии с примечанием принимаем СК 6.
Степень коробления отливки в целом принимается по наибольшему значению степени коробления элемента отливки, т. е. СК 8.

Рисунок - Ступица заднего колеса автомобиля ЗИЛ

Рисунок - Схема коробления фланца отливки

Рисунок - Схема коробления цилиндра отливки
По табл.11 ГОСТ 26645–85 для заданного технологического процесса, габаритного размера – 326 мм и материала КЧ 35-10 (термообработка) находим интервал степеней точности поверхности 13-19. С учетом примечания принимаем СП 15.
По табл. 13 ГОСТ 26645–85 для заданного технологического процесса, номинальной массы 22 кг и материала КЧ 35-10 (термообработка) находим интервал классов точности массы 8-15, с учетом примечания принимаем КМ 11.
Допуск смещения отливки определяем для наименьшей толщины стенки в плоскости разъема по классу размерной точности отливки, т. е. КР 11. В нашем случае h = 14 мм; по табл. 1 для
КР 11 и h = 14 мм, Тсм = 3,2 мм. Таким образом, найдены основные точностные параметры отливки ступицы заднего колеса: размерная точность КР 11, степень коробления СК 8, степень точности поверхности СП 15, точность массы КМ 11 и допуск смещения Тсм = 3,2 мм.
Точность отливки: 11-8-15-11 См. 3,2 мм ГОСТ 26645–85.
6. Для обрабатываемых поверхностей необходимо определить ряд припуска РП.
По табл. 14 приложения 6 ГОСТ 26645–85 находим для степени точности поверхности СП 15 интервал ряда припусков 6-9, с учетом примечания принимаем РП 9.
Определение припусков производим для шести обрабатываемых поверхностей: А, В, С, Д, Е, (данные приведены в табл. ).
Определение допусков и припусков на обработку
Последовательность назначения А B C D E
1. Номинальный размер от базы до обрабатываемой поверхности, мм158 27 Ø136 Ø135 Ø150 99
2. Вид размера, ВР II II I I I II
3. Класс точности размера, КР 11 11 10 10 10 11
4. Допуск размера ТО, мм5,0 3,6 3,2 3,2 3,2 4,4
5. Другие допуски: - допуск формы поверхности (от коробления): номинальный размер нормируемого участка, ммØ166 140 230 230 230 Ø170
степень коробления СК 8 8 6 6 6 8
допуск формы ТФ, мм 1,0 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8
- допуск смещения, вызванного перекосом стержня: размер наиболее тонкой стенки, формируемой с участием стержня, мм- - 10 10 10 -
класс точности размера КР - - 11т 11т 11т -
допуск смещения ТСМ, мм - - 2,0 2,0 2,0 -
-позиционный допуск: размер базовой поверхности, мм- - Ø326 Ø326 Ø326 -
вид размера ВР - - I I I -
класс точности размера КР - - 10 10 10 -
допуск размера баз. поверхности ТО, мм - - 4,0 4,0 4,0 -
позиционный допуск ТПОЗ, мм - - 2,0 2,0 2,0 -
6. Общий допуск ТОБЩ, мм 5,0 4,0 4,4 4,4 4,4 5,0
7. Общий допуск при назначении припуска, мм5,0 2,0 2,2 2,2 2,2 5,0
8. Припуск, мм: - черновой (черн.) 4,0 2,4 2,6 2,6 2,6 4,0
- получистовой (пч) 5,5 3,1 3,4 3,4 3,4 5,5
- чистовой (чист.) 6,3 3,6 3,8 3,8 3,8 6,3
- тонкий (т) 6,9 3,8 4,1 4,1 4,1 6,9
9. Вид механической обработки: - допуск детали, мм0,9 0,21 0,25 0,04 0,034 0,8
- отношение допусков размеров детали и отливки 0,18
черн. 0,06
пч 0,08
пч 0,013
т 0,011
т 0,18
черн.
10. Общий припуск ZОБЩ., мм 4,0 3,1 3,4 4,1 4,1 4,0
Назначение формовочных уклонов моделей
 1.1. Формовочные уклоны в зависимости от требований, предъявляемых к поверхности отливки, следует выполнять:      1) на обрабатываемых поверхностях отливки сверх припуска на механическую обработку за счет увеличения размеров отливки (рис.4.7а). Допускается выполнение уклонов за счет уменьшения припуска, но не более 30% его значения (при заливке металла в форму происходит деформация формы и стенки отливки утолщаются). Если толщина необрабатываемой стенки отливки менее 8 мм, то уклон выполняют за счёт увеличения.
2) на необрабатываемых поверхностях отливки, не сопрягаемых по контуру с другими деталями, за счет увеличения и уменьшения размеров отливки (рис. 4.7б). Таким способом выполняются уклоны на стенках толщиной 8 – 12 мм, а также, если высота стенки более 100 мм при её толщине более 12 мм.        3) на необрабатываемых поверхностях отливки, сопрягаемых по контуру с другими деталями, за счет уменьшения (рис.4.7в) или увеличения (рис.4.7г) размеров отливки в зависимости от поверхностей сопряжения. Уклон делают с уменьшением толщины стенки, если её толщина превышает 12 мм при её высоте до 100 мм.

Рисунок – Формовочные уклоны
Значения формовочных уклонов формообразующих поверхностей модельного комплекта для песчано-глинистых смесей (ПГС) в зависимости от высоты моделей ( от 10 мм до 2500 мм) варьируются от 2о 20' до 20' и указаны в табл.1 ГОСТа 3212 – 92. Значения формовочных уклонов формообразующих поверхностей модельных комплектов, предназначенных для форм, твердеющих в контакте с оснасткой (жидкотвердеющие самотвердеющие смеси - ЖСС, холоднотвердеющие смеси - ХТС, жидкостекольные пластичные самотвердеющие смеси - ПСС), и оболочковых форм указаны в табл.2 этого же ГОСТа.
.
Понятия о формовочных материалах и их основные виды
Процесс получения отливки состоит в том, что с помощью модели отливаемого изделия различных приспособлений и инструментов из смеси формовочных материалов, называемой формовочной смесью, изготовляют литейную форму. В форму заливают расплавленный металл, из которого необходимо получить отливку. Жидкий металл заполняет полость формы и остывает в ней, получается отливка желаемых очертаний. В зависимости от требований, предъявляемых к отливкам, их изготовляют из чугунoв, бронз, латуней и других сплавов. Наиболее сложным и продолжительным в производстве отливок является процесс изготовления литейной формы. Процесс изготовления такой формы называют формовкой, а рабочего, занятого изготовлением литейных форм, — формовщиком.
В зависимости от сложности и размеров отливок, формовочной смеси, применяемой для изготовления литейной формы, способа формовки и степени механизации процесса формовку подразделяют на формовку по-сырому (форму заливают в сыром состоянии), по-сухому (форму заливают после ее сушки), по модели, по шаблону, в почве и в опоках, ручную и машинную. Чтобы получить отливку, необходимо изготовить модель, опоку, подготовить инструменты, формовочные материалы, приготовить формовочную и стержневую смеси, затем из них изготовить литейную форму и стержни, собрать форму со стержнями и залить ее расплавленным металлом. После остывания металла по выбранному режиму форму надо выбить из опоки, поверхности отливки очистить от пригоревшей смеси.
В зависимости от срока службы литейные формы бывают разовые и многократные.
Разовые формы — это формы, которые заливают металлом и только один раз. При удалении отливок формы разрушают. Разовые формы изготовляют из формовочных смесей, основной составляющей которых является кварцевый песок. В качестве связующей добавки, придающей смеси прочность, используют глину. Разовые формы для художественных отливок могут быть сухими, сырыми, разъемными и неразъемными, цельными и кусковыми.
Многократные формы — это формы, прочность и огнеупорность которых позволяет при небольшом ремонте их внутренних поверхностей после каждой заливки использовать их повторно (иногда до 150 раз). Такие формы изготовляют из огнеупорных материалов — молотого шамота, графита, асбеста и используют для производства толстостенных отливок несложной конфигурации. К многократным литейным формам относятся и металлические формы — кокили. Кокили чаще всего используют при производстве отливок специальными способами литья: литьем под давлением, центробежным, кокильным.
Все материалы, применяемые для изготовления литейных форм и стержней, объединяются общим названием “формовочные материалы”. Среди формовочных материалов различают исходные формовочные материалы, формовочные смеси и вспомогательные формовочные составы и материалы. Исходные формовочные материалы можно подразделить на две группы: основные (песок и глина) и вспомогательные (связующие для стержней, уголь, опилки, торф, графит и др.).
К вспомогательным формовочным составам относят формовочные краски, припылы, стержневой клей, замазки для исправления стержней и другие составы, необходимые для изготовления и отделки форм. Чтобы обеспечить получение годной отливки, формовочные материалы должны обладать свойствами, отвечающими определенным требованиям: 1) технологии изготовления форм и стержней; 2) условиям взаимодействия формы с жидким металлом при заливке формы, затвердевании и охлаждении отливки; 3) технологии приготовления формовочной или стержневой смеси; 4) условиям выбивки форм и удаления стержней.
Свойства формовочных и стержневых смесей
Для того, чтобы получить отливку, свободную от дефектов, формовочные и стержневые смеси, из которых изготовляют форму и стержни, должны удовлетворять комплексу определенных свойств.
Все свойства смесей можно разделить на группы: гидравлические, механические, технологические и теплофизические.
Гидравлические свойства смесей в основном определяют условия газообразования и удаления газообразных продуктов из полости формы при заливке сплавом (влажность, пористость, газопроницаемость, газотворность). Механические свойства определяют прочностные характеристики литейной формы в период ее изготовления, а также при заливке ее сплавом и затвердевании отливки (твердость, прочность: во влажном состоянии, в упрочненном состоянии, в нагретом состоянии, в прокаленном состоянии).
Технологические свойства характеризуют условия получения качественных форм и стержней, а также условия изготовления отливок с наименьшей трудоемкостью и высоким качеством поверхности (без трещин и засоров) уплотняемость, текучесть, прилипаемость, гигроскопичность, живучесть, осыпаемость, податливость, огнеупорность, пригораемость, выбиваемость, долговечность). Теплофизические свойства – условия протекания тепловых процессов при затвердевании отливки в форме (теплоемкость, теплопроводность, температуропроводность, теплоаккумулирующая способность).
Рассмотрим подробнее перечисленные выше свойства.
Гидравлические свойства
Влажность характеризует процентное содержание влаги в смесях. Величина влажности определяет значение многих других свойств смеси и оказывает прямое влияние на качество получаемых отливок, например, при повышенной влажности смесей в отливках могут возникать газовые раковины. В формовочных и стержневых смесях различают следующие виды влаги: химически связанную, поверхностно-связанную и свободную.
Химически связанная влага входит в состав минеральных компонентов смеси (песка и глины). При ее удалении в процессе высокотемпературного воздействия на смесь первоначальные свойства минеральных компонентов утрачиваются вследствие разрушения их кристаллической решетки. Например, при нагреве песчано-глинистой смеси до температуры 300–700оС происходит необратимая дегидратация глины, сопровождаемая потерей ею связующих свойств. Поверхностносвязанная влага подразделяется на капиллярно-связанную и адсорбированную. Адсорбированная влага удерживается на поверхности смеси электростатическими силами. Толщина слоя влаги может доходить до 0,5⋅10-6 м (0,5 мкм). Чем ближе адсорбированная влага расположена к поверхности частички смеси, тем больше она отличается по физическим свойствам от обычной влаги. Например, влага, находящаяся непосредственно на поверхности частички, толщиной в 3÷4 молекулы воды, что составляет примерно (8÷12) 10-10 м, имеет точку кипения выше 100оС, температуру затвердевания – ниже 0, а плотность – больше 1. Такую влагу обычно называют “жесткой” или “нежидкой”. Более отдаленные поверхностные слои адсорбированной влаги по своим физическим свойствам приближаются к обычной капельножидкой воде.
Капиллярно-связанная влага удерживается на поверхности частичек смеси капиллярными силами. Свободная влага может быть удалена из смеси под воздействием силы тяжести. Эта влага характерна для сильно увлажненной смеси или регенерированного мокрым способом формовочного песка. В соответствии с ГОСТ 29234.5–91 величину влажности смеси В (%) определяют по изменению массы в процессе сушки навески смеси при 105–110оС до постоянной массы и подсчитывают по формуле:
B= (М − М1) 100/ М,
где М и М1 – масса смеси до и после сушки, г.
Определяют содержание только поверхностно-связанной и свободной влаги в смеси, адсорбированная влага удаляется лишь частично, так как “жесткая” вода при этом не испаряется.
Пористость характеризуется отношением объема пустот (пор) к общему объему смеси и выражается в процентах. Величина пористости смеси в основном определяет степень развития процессов проникновения жидкого металла или его оксидов в глубь формы, т. е. вероятность возникновения пригара на поверхности смеси определяется главным образом степенью уплотнения смеси и содержанием в ней глины или других мелкозернистых добавок. Пористость уплотненных формовочных смесей находится в пределах 25–50%.
Газопроницаемость является одним из важнейших свойств смеси и характеризует способность ее пропускать газы. При недостаточной газопроницаемости смеси затрудняются условия удаления газообразных продуктов из полости формы в процессе ее заливки. Газопроницаемость смесей зависит от размера зерен формовочного песка, содержания в них мелкозернистых добавок, степени уплотнения и влажности.
По ГОСТ 29234.11–91 определение газопроницаемости смеси производят путем пропускания воздуха через стандартный образец, изготовленный из испытуемой смеси. Коэффициент газопроницаемости рассчитывают по формуле
К = Vh/Fτ p,
где V – объем воздуха, прошедшего через образец, см3; h – высота образца, см; F – площадь поперечного сечения образца, см2; p – давление воздуха перед входом в образец, г/см2; τ – продолжительность прохождения воздуха через образец, мин.
Схема прибора для определения газопроницаемости смеси приведена на рис. Определение газопроницаемости смеси на этом приборе производят следующим образом. Сначала в гильзе 5 уплотняют стандартный образец смеси диаметром и высотой 50 мм. Затем гильзу с образцом смеси 4 укрепляют на приборе. Открытием трехходового крана 7 по трубке 11 через образец пропускают 2000 см3 воздуха, находящегося под колпаком 8, расположенным в баке 9. Замер возникающего под образцом давления воздуха производят с помощью манометра 1.
Продолжительность прохождения воздуха замеряют секундомером. При ускоренном методе определения газопроницаемости используют ниппель 6, укрепленный в отверстии, через которое поступает под образец воздух. В этом случае возникающее под образцом давление при соответствующей градуировке шкалы манометра будет характеризовать значение газопроницаемости смеси.

Схема прибора для определения газопроницаемости смеси:
1 – манометр; 2 – резервуар; 3 – трубка; 4 – образец смеси; 5 – гильза;
6 – ниппель; 7 – трехходовой кран; 8 – калиброванный колпак;
9 – бак; 10 – трубка колпака; 11 – трубка бака
Газотворность характеризует способность смеси выделять газы при нагреве до высоких температур (при температуре 1250оС). Выделяющиеся при заливке формы газы могут быть причиной образования газовых раковин в отливках, причем, чем выше газотворность смеси, тем больше опасность их образования. Значение газотворности смесей зависит от вида и количества органических (выгорающих) добавок, от содержания влаги, а также от скорости выделения газообразных продуктов в процессе нагрева смеси. Чем позже начинают выделяться из смеси газы, тем меньше вероятность возникновения газовых раковин в отливках, так как к этому времени успевает образоваться корочка затвердевшего сплава, которая будет препятствовать внедрению в отливку газовых пузырьков.
Механические свойства
Твердость характеризует способность поверхностного слоя форм или стержня противостоять проникновению более твердого тела (металлического шарика). Поверхностная твердость формы или стержня зависит от степени уплотнения смеси, количества и качества связующих материалов, а также от режимов их упрочнения. Оценку твердости производят с помощью специальных приборов-твердомеров и выражают в условных единицах.
Прочность характеризует способность смеси сохранять заданную конфигурацию полости литейной формы в период ее изготовления и транспортирования, а также при заливке. В соответствии с ГОСТ 29234–91 прочность смесей оценивают предельной величиной нагрузки, при которой разрушается уплотненный образец смеси. Различают прочность смесей во влажном, упрочненном, нагретом и прокаленном состояниях.
Прочность смеси во влажном состоянии зависит главным образом от количества и состояния содержащейся в ней глины, а также от величины влажности, зернового состава формовочного песка, степени уплотнения смеси и некоторых других факторов. На рис. приведена схема методов оценки прочности смеси во влажном состоянии. Наиболее часто прочность смеси во влажном состоянии оценивается при сжатии (см. рис. ,а), реже при срезе (см. рис. ,б), изгибе (см.рис.,в) и растяжении (см. рис. ,г).
Прочность смеси в упрочненном состоянии (имеется в виду прочность, которую приобретает образец смеси после тепловой сушки или химического отверждения) зависит от типа и количества связующих материалов, содержащихся в смеси, а также от зернового состава формовочного песка,

Схема методов оценки прочности смесей во влажном состоянии:
а – при сжатии; б – при срезе; в – при изгибе; г – при растяжениистепени уплотнения смеси, режимов ее упрочнения и целого ряда других факторов, влияние которых будет рассмотрено ниже. На рис. приведена схема методов оценки прочности смеси в упрочненном состоянии. Наиболее часто данное свойство смеси оценивается при разрыве образца (см. рис. ,а) и сжатии (см. рис. ,б), реже при срезе (см. рис.,в) и изгибе (см.рис. г).

Схема методов оценки прочности смесей в упрочненном состоянии:
а – при растяжении; б – при сжатии; в – при срезе; г – при изгибеПрочность смесей в прокаленном состоянии характеризуется в основном способностью стержня, изготовленного из данной смеси, удаляться из полости отливки при ее извлечении из формы и очистке и зависит главным образом от природы связующего материала смеси и его количества, от интенсивности теплового воздействия сплава отливки на стержень и других факторов.
Технологические свойства
Уплотняемость – это способность смеси уменьшать свой первоначальный объем под воздействием внешних сил. Уплотняемость песчано-глинистых смесей зависит от содержания воды и глины и от их соотношения. Оценку уплотняемости производят по разнице объемов навески смеси до и после уплотнения, отнесенной к первоначальному ее объему, и выражают в процентах. Уплотняемость определяют по ГОСТ 23409.13–78.
Текучесть – это способность смеси под воздействием внешних сил заполнять труднодоступные полости в модельной оснастке, обеспечивая равномерное уплотнение формы или стержня. Значение текучести тесно связано с величиной прочности смеси во влажном состоянии, при этом чем меньше эта величина, тем выше текучесть смеси во влажном состоянии. Для оценки текучести песчано-глинистых смесей используют методику (ГОСТ 23409.17–78), основанную на замере твердости торцевых поверхностей уплотненного цилиндрического образца в точках а и б.
Величину текучести смеси выражают в процентах и подсчитывают по формуле:
Т =Нн100/Нв,
где Нн и Нв – твердость нижнего и верхнего торца образца, условные единицы.
Прилипаемость – это способность смеси во влажном состоянии прилипать к поверхности модельной оснастки или транспортных средств (ленточных конвейеров). Повышенная прилипаемость смесей увеличивает шероховатость поверхности формы или стержня, а также вызывает необходимость частой чистки поверхности модельной оснастки и транспортных средств. Оценку прилипаемости смеси производят на специальном приборе (рис. 4.20) по величине усилия отрыва, отнесенного к контактной поверхности образца и конического цилиндра.

Схема ступенчатой пробы для оценки текучести смеси:
1 – основание гильзы; 2 – образец смеси;
3 – гильза; 4 – прессующий плунжер; 5 – вкладыш
Гигроскопичность характеризует способность формы или стержня впитывать влагу из окружающей среды. Оценка гигроскопичности основана на определении массы влаги, поглощенной сухой смесью.
(ГОСТ 23409.10–78). Стандартный образец смеси диаметром и высотой 50 мм сушат и взвешивают, помещают в эксикатор на фильтровальную бумагу, помещенную на влажный песок, и выдерживают в течение 2 ч, после чего снова взвешивают. Испытание проводят на трех образцах. Гигроскопичность (Х) в процентах вычисляют по формуле:
X = (M1− M2)100/M1,
где М1, М2 – масса образца до и после сушки.
Значение гигроскопичности связано с природой и количеством связующего материала смеси. Например, водорастворимые связующие материалы (лигносульфонаты, декстрин, патока и др.) придают смеси высокую гигроскопичность. Смеси с водонерастворимыми связующими материалами имеют низкую гигроскопичность.
Живучесть – это продолжительность сохранения смесью своих физико-механических свойств. Значение ее зависит от природы связующего материала смеси, а также от интенсивности уменьшения в ней влаги. Например, смеси с высокомодульным жидким стеклом обладают малой живучестью. Для ее повышения в состав смесей вводят добавку водного раствора едкой щелочи, которая снижает модуль жидкого стекла. За показатель живучести холоднотвердеющих (упрочняющихся без теплового воздействия) смесей обычно применяют продолжительность промежутка времени (в минутах), по прошествии которого значение ее прочности снижается на 30% от максимального.

Схема прибора для оценки прилипаемости смесей:
1 – воронка для дроби; 2 – приемная чаша; 3 – пуансон;
4 – Расчет прилипаемости смеси производят по формуле
Пр = P/S,
где P – усилие отрыва образца,
Н; S – контактная поверхность образца, м2.
Осыпаемость характеризуется способностью поверхности формы или стержня не разрушаться при транспортировании, сборке и заливке. Значение осыпаемости связано с количеством и природой связующего материала, а также с режимом сушки форм и стержней.
Для уменьшения осыпаемости песчано-глинистых форм в состав смеси обычно вводят добавки лигносульфонатов. В соответствии с ГОСТ 23409.9–78 оценку осыпаемости смеси производят по величине потери массы стандартным образцом, помещенным во вращающийся сетчатый барабан, при этом величину осыпаемости выражают в процентах и рассчитывают по формуле
О = (М0 − М1)100/М0,
где М0 и М1 – масса образца до и после испытания, г.
Податливость – это способность формы или стержня деформироваться под воздействием усадки отливок. Степень податливости смеси зависит от природы огнеупорной основы, от количества и природы связующего материала, а также от степени уплотнения смеси.
Например, сильно уплотненные смеси с большим количеством глины малоподатливы. Для улучшения податливости в состав вводят древесные опилки и другие добавки.
Огнеупорность характеризует способность смеси не оплавляться под действием высоких температур. При недостаточной огнеупорности смеси происходит оплавление и спекание отдельных ее компонентов с образованием крупных пор, приводящих к формированию повышенного пригара на отливках. Значение огнеупорности смеси зависит от минералогического, гранулометрического и химического состава формовочного песка и глины. В соответствии с ГОСТ 4069–69 для оценки огнеупорности из смеси изготавливают образцы в виде трехгранных пирамидок. Величину огнеупорности смеси определяют по температуре, при которой вершина образца в процессе размягчения и оплавления смеси коснется уровня его основания.
Пригораемость – это способность поверхностного слоя формы или стержня противостоять прочному сцеплению с металлом отливки. Степень пригораемости смеси зависит от многих факторов, в том числе от пористости смеси, химической инертности ее огнеупорной основы. Уменьшения пригораемости смеси достигают введением в ее состав противопригарных и высокоогнеупорных материалов (каменный уголь, мазут, маршалит и др.), применением специальных защитных покрытий, наносимых на поверхность форм и стержней.
Выбиваемость характеризуется способностью стержней удаляться из внутренних полостей при выбивке и очистке отливок. Значение выбиваемости зависит главным образом от природы и количества связующего материала в смеси, от интенсивности температурного и силового воздействия металла отливок на стержень. Смеси с неорганическими связующими материалами, например, с жидким стеклом, имеют затрудненную выбиваемость вследствие их прочного спекания в период затвердевания отливки в форме. Хорошую выбиваемость имеют смеси с органическими, легковыгорающими и некоксующимися связующими материалами. Оценку выбиваемости смеси производят по величине работы, затрачиваемой на пробивку специальным бойком стержня, залитого сплавом. Работу выбивки определяют по формуле
А = n · G · h,
где n – число ударов, необходимое для пробивки стержня;
G – масса падающего груза, кг;
h – высота падения груза, м.
Долговечность характеризует способность смеси, после соответствующей подготовки, повторно использоваться для изготовления форм без введения добавок свежих формовочных материалов. Долговечность смеси зависит от интенсивности температурного воздействия жидкого сплава, от природы огнеупорной основы и связующего материала смеси. Наибольшей долговечностью обладают песчано-глинистые смеси. Оценку долговечности смеси производят по числу циклов ее использования, обеспечивающему сохранение смесью физико-химических свойств и получение качественных отливок.
Теплофизические свойства
К теплофизическим свойствам относятся теплоемкость, теплопроводность, температуропроводимость и теплоаккумулирующая способность. Эти характеристики определяют тепловой режим охлаждения отливки в форме. Значения их зависят главным образом от природы огнеупорной основы смесей, а также и от состояния формы (влажная, сухая). Наиболее высокими теплофизическими свойствами обладают цирконовые, дистен-силлиманитовые, хромитовые формовочные пески. Теплофизические характеристики кварцевых песков значительно ниже. Различные теплофизические свойства смесей позволяют регулировать процессы затвердевания отдельных частей отливок. Значение теплоемкости и теплопроводности смесей определяется в специальных теплофизических лабораториях, а температуропроводность и теплоаккумулирующая способность – расчетным путем.
Теплопроводность вещества λ определяется как количество теплоты Q, которое подводится за время τ через поверхность площадью F, расположенную перпендикулярно к тепловому потоку, отнесенное к температурному градиенту Δt/d (Δt – разность температур; d – толщина образца):
λ = Qd/τFΔt.
Теплопроводность большинства формовочных смесей с повышением температуры увеличивается, а у смесей с магнезитом и корундом, в качестве наполнителя, уменьшается. Получение заданной теплопроводности в песчаных формах затруднительно, так как она зависит не только от теплопроводности наполнителя, но и от влажности воздуха и газов, находящихся в межзерновых порах.
В сухом песке предположительно теплопередача происходит от зерна к зерну за счет прямых контактов, частично – излучением. Теплопроводность при повышении температуры на 1000оС (с 95 до 1095оС) изменяется почти на 100% – с 2,63⋅10-6 до 4,75⋅10-6 Вт/(м⋅К).
Процесс распространения теплоты во влажном песке, однако, более сложен, чем в сухом. Теплопередача происходит как за счет теплопроводности зерен наполнителя, так и воды (водяного пара), адсорбированной зернами песка и находящейся в порах между песчинками.
При нагреве влажной формовочной смеси залитым металлом в глубь формы проникает водяной пар (в результате изменения давления), нагретый в порах воздух, а также продукты сгорания органических составляющих. В холодных слоях формы, удаленных от отливки, происходит конденсация влаги. В результате переноса теплоты водяным паром и улучшения условий теплопередачи между контактирующими зернами песка из-за накопления влаги в местах их контакта общая теплопроводность смеси с повышением влажности также повышается. На теплопроводность песчано-глинистых форм влияют степень уплотнения формовочной смеси и содержание связующего. Например, теплопроводность повышается при увеличении степени уплотнения и количества бентонита в смеси. Удельная теплоемкость формовочной смеси зависит не только от ее вида, но и от температуры. С повышением температуры она также увеличивается. Значительное влияние на удельную теплоемкость формовочной смеси оказывает содержание в ней влаги. Для более полного представления о теплофизических свойствах форм определяют температуропроводность а (в м2⋅с-1), характеризующую, насколько интенсивно в форме выравниваются температурные перепады:
а = λ/(с · ρ),
где с – удельная теплоемкость смеси, Дж/(кг⋅К);
ρ – плотность смеси, кг/м3.
Температуропроводность в интервале температур 500–1000оС кварцевого песка составляет 0,00145 м2⋅с-1, шамота – 0,00178 м2⋅с-1. При расчете теплопередачи от отливки к форме применяется также величина, называемая коэффициентом тепловой аккумуляции
b = λc ⋅ ρ .
Чем выше теплоаккумуляторная способность формы, тем быстрее охлаждается отливка и меньше опасность образования пригара на поверхности отливки.
Исходные формовочные материалы
Кварцевые формовочные пески
Основной составляющей формовочных и стержневых смесей, применяемых в литейном производстве, является кварцевый песок. Кварцевый песок – природный минерал соединения кремния с кислородом (SiO2). Пески образуются при разрушении горных пород, содержащих кварц. По происхождению формовочные пески относятся к осадочным горным породам. Важнейшей их характеристикой является время отложения и кратность переноса. Наиболее округлые и однородные по величине зерна имеют те пески, которые в течение длительного времени подвергались многократным переносам и повторным отложениям. Главным критерием при оценке качества формовочных песков по химическому составу является содержание в нем кремнезема SiО2. Чем выше его содержание, тем выше качество песка. Наряду с кремнеземом в формовочных песках почти всегда присутствуют различные примеси, ухудшающие его свойства.
Минералогический состав формовочных песков
Основной составляющей формовочного песка является кварц (SiO2), имеющий плотность ρ = 2650 кг/м3, температуру плавления tпл = 1713оС, твердость по шкале Мооса 7. Зерна кварца могут иметь различную окраску, обусловленную различными примесями. При нагреве кварц претерпевает ряд превращений. При 573оС α-кварц переходит в β-кварц. Объем изменяется ±2,4%; при 870оС β-кварц → β-тридимид, изменение объема 15,1%, при 1470оС β-тридимид →β-кристаболит, изменение объема 4,7%; при 1713оС β-кристаболит→ расплав, изменение объема 0,1%.
Полевые шпаты (MeO·Al2O3·6SiO2).
Полевые шпаты имеют твердость (6–6,5); температура плавления их 1170–1550оС, термическое расширение при 1000оС до 2,75%.
Слюда. Мусковит (К2О·3Al2O3·6SiO2·H2O). Биотит (К2О·6(Mg,Fe)О·Al2O3·6SiO2·2H2O). Температура плавления слюды 1150–1400оС, термическое расширение при 1000оС – 1,55%. Слюда ухудшает огнеупорность песка.
Оксиды железа содержат примеси: гематит Fe2O3, плотность 5000–5300 кг/м3, температура плавления 1560оС, устойчив при окислении; магнитный железняк FeO·Fe2O3; плотность 4900–5200 кг/м3, температура плавления 1540оС; ильменит FeO·TiO2, плотность 4720 кг/м3.
Гидраты оксидов железа nFe2O3·mH2O.
В зависимости от содержания воды различают несколько разновидностей гидратов оксида железа, которые неустойчивы и при нагревании теряют воду, снижая свойства песка, и способствуют образованию легкоплавких силикатных сплавов, вызывающих пригар на отливках.
Карбонаты: кальцит CaCO3, магнезит MgCO3, доломит CaCO3·MgCO3, сидерит FeCO3 снижают огнеупорность формовочных песков, а разложение их при нагревании до 500–900°С способствует образованию различных дефектов в отливках.
Глинистые минералы. В формовочных песках встречается несколько глинистых минералов: каолинит, монтмориллонит, гидрослюды.
Все примеси в формовочных песках снижают его огнеупорность, физико-механические и технологические свойства, увеличивают пригар на отливках.
В связи с этим в последнее время все больше применяют обогащенные формовочные пески с минимальным содержанием примесей.
Формовочные глины
Литейными формовочными глинами называются горные породы, состоящие в основном из тонкодисперсных частиц, водных алюмосиликатов, обладающих связующей способностью и термохимической устойчивостью, достаточной для того, чтобы в определенных условиях образовывать прочные и не пригорающие к отливке формовочные смеси.
По своему происхождению глины подразделяются на первичные и вторичные. Первичные – остаточные глины разложения – образовались в результате разложения кристаллических горных пород или выпадения из водных растворов, содержащих глинозем и кремнезем, и остались на месте образования. Вторичные глины образовались путем выпадения из водных растворов и перенесения с места своего образования в районы залегания. Состав глин, образовавшихся в результате разрушения горных пород, зависит от пород и степени кислотности или щелочности, характеризуемой концентрацией водородных ионов (рН). В кислой среде (рН<7) образуются каолинитовые, в щелочной (рН>7) – монтмориллонитовые глины.Формовочные глины являются минеральным связующим в формовочных смесях.
Минералогический состав формовочных глин
Минералогический состав глин определяют с помощью рентгенографического и электронно-микроскопического методов анализа.
Глины состоят из одного или нескольких минералов, содержащих Al2O3, зерен кварца и небольшой примеси некоторых других минералов, не содержащих глинозема. По содержанию основных глинистых минералов формовочные глины делятся на каолинитовые, каолинитогидрослюдистые и бентонитовые. К первой группе относятся глины, содержащие в основном минерал каолинит Al2O3·2SiO2·2H2O, его плотность 2,580–2,600 кг/м3, температура плавления 1750–1787°С. При нагреве каолинит претерпевает превращения: при 100–140°С удаляется гигроскопическая вода, при 400–700°С теряется конституционная (химически связанная) вода и наблюдается эндотермический эффект. Каолинит переходит в метакаолинит (Al2O3·2SiO2), и глина теряет связующую способность.
При 900–1050°С метакаолинит распадается на смесь аморфных Al2O3 и SiO2. При 1200–1280°С из свободного глинозема и кремнезема образуется минерал 3Al2O3⋅2SiO2 (муллит), что сопровождается также эндотермическим эффектом.
Каолинитовые глины находят широкое применение в литейном производстве и особенно для отливок стальных и чугунных деталей.
Каолинитогидрослюдные глины представляют собой промежуточные продукты разложения от слюд к каолиниту. По своему химическому составу и физическому состоянию эти минералы непостоянны. Химический состав слюд К2О⋅3Al2O3⋅6SiO2⋅2H2O с температурой плавления 1150–1400°С.
В зависимости от содержания Н2О некоторые слюды относятся к гидрослюдам и очень часто составляют значительный процент (до 30%) каолинитовых глин.
Основой бентонитовых глин является минерал монтмориллонит Al2O3⋅4SiO2⋅H2O⋅nH2O. В нем возможна замена некоторой части Al3+ на Mg2+, а Si4+ – на Al3+.
Особенностью монтмориллонита является способность расширяться в направлении одной из кристаллографических осей. Эти свойства позволяют проникать ионам Н+ и ОН– внутрь кристаллической решетки, что ведет к увеличению набухания глины. Температура плавления монтмориллонита – 1250 –1300°С. Он способен отдавать или поглощать влагу из воздуха. При нагревании до 100 – 150°С из него удаляется гигроскопическая, а также межслойная вода (Н2О); при 600°С он теряет способность набухать в воде. При температуре 735–900°С происходит разрушение кристаллической решетки монтмориллонита и превращение его в аморфное вещество. В глинах обычно присутствует кварц (SiO2), от нескольких долей до 50%; являясь инертным материалом, он снижает связующую способность, пластичность, усадку и увеличивает газопроницаемость.
Кроме того, в глинах присутствуют гидраты оксидов железа, карбонаты в виде кальцита, магнезита, доломита, сидерита, гипса, которые являются вредными примесями.
Структура глин
Структура глинистых минералов имеет сложное слоистое строение. Глинистые минералы состоят из октаэдрических образований в виде пластинок толщиной 5⋅10−10м. Элементом октаэдрического образования является октаэдр, состоящий из атомов кислорода и гидроксилов. Внутри октаэдра расположен атом алюминия или магния (рис. ,а). Элементом тетраэдрического образования является тетраэдр, состоящий из атомов кислорода. Внутри тетраэдра расположены атомы кремния (см. рис.,б).

Рисунок – Схема кристаллических решеток глинистых минералов:
а – октаэдр; б – тетраэдр; в – решетка каолинита; г – решетка монтмориллонита
Кристаллическая решетка минерала каолинита состоит из двух слоев: алюмогидроксильного и кремнекислородного, образующих так называемый “пакет” (см. рис. ,в). Ввиду того, что отдельные пакеты каолиновой глины соприкасаются плоскостями различных атомов (кислорода и гидроксилов), они образуют достаточно прочную, так называемую водородную связь. При увлажнении каолиновой глины такие пакеты плохо расщепляются и слабо диспергируют.
Это объясняется тем, что межпакетное расстояние каолиновой глины составляет около 2⋅10−10м, а радиус молекул воды – 1,45⋅10-10м, вследствие чего проникновение в межпакетный зазор и расщепление пакета затруднено.
Кристаллическая решетка минерала монтмориллонита состоит из трех слоев: двух кремнекислородных и одного гидроксильного (рис. ,г). Так как отдельные пакеты монтмориллонитовой глины соприкасаются плоскостями с одноименными атомами, связь между ними возникает непрочная (валентная). При увлажнении такой глины молекула воды легко проникает в межпакетный зазор, увеличивая его до 20⋅10−10м. Этим и объясняют высокую диспергирующую и связующую способность монтмориллонитовых глин.

Схема глинистой мицеллы:
а – адсорбционный слой; б – диффузный слой; в – сольватная оболочка
(двойной электрический слой); 1 – ядро (глинистая частичка); 2 – ионы;
3 – противоионы; 4 – подвижные противоионы.
При смешивании глин с водой в глинистых суспензиях образуется коллоидный раствор. В таком растворе вокруг глинистого минерала имеются ионы адсорбированного и диффузионного слоев мицелл (коллоидных частиц) (рис. 4.22), которые могут замещаться ионами другого элемента, имеющего тот же знак заряда. К обменным ионам в глинах относятся ионы К+, Na+, Mg2+, Ca2+. При обмене одних ионов на другие свойства глин изменяются. При замене ионов Са2+ ионами Na+ (при обработке глин содой) связующие свойства глин повышаются. Во многих случаях, особенно при изготовлении стержневых смесей, формовочная глина не обеспечивает получение надлежащей прочности стержней, поэтому в смеси вводят связующие добавки, обладающие более высоким значением удельной прочности. Такие добавки называют связующими материалами или крепителями. Существует большое количество связующих материалов, которые в большинстве случаев являются побочными продуктами или отходами при различных видах производства.
Основные требования, предъявляемые к связующим материалам.
Специальные связующие материалы (добавки) вводят в формовочные и стержневые смеси в количествах, обеспечивающих необходимые качества форм и стержней. К любому связующему материалу в зависимости от условий его применения предъявляются соответствующие требования. Связующие вещества должны обладать следующими свойствами:
− равномерно распределяться по поверхности формовочных материалов в течение определенного времени, что обеспечивает постоянство свойств смеси;
− предотвращать прилипаемость смеси к модели или стержневому ящику, так как прилипаемость затрудняет изготовление форм и стержней и снижает производительность труда;
− придавать смеси текучесть, необходимую для выполнения всех контуров детали, что особенно важно, если эти контуры имеют сложную конфигурацию;
− обеспечивать достаточную поверхностную и общую прочность как в сыром, так и в сухом состоянии;
− обеспечивать быстрое высыхание форм и стержня при сушке и не обладать гигроскопичностью при хранении и сборке форм; − не выделять много газов при сушке и заливке, так как излишняя газотворная способность смеси способствует образованию газовых раковин в отливках;
− обеспечивать податливость формы или стержня, которая необходима ввиду усадки металла при остывании;
− не снижать огнеупорность формовочных и стержневых смесей и не увеличивать их пригораемость, что особенно важно при отливке стальных деталей;
− обеспечивать легкое удаление стержней из отливок;
− связующий материал должен быть дешев, недефицитен и безвреден для окружающих.
Физико-химические свойства связующих материалов.
Связующие материалы предназначены для соединения песчинок смеси между собой. На песчинки связующие наносятся в жидком виде и затем затвердевают при сушке, соединяя песчинки. В литейном производстве в качестве связующего применяют вещества жидкие при комнатной температуре, переходящие в жидкое состояние при растворении их в соответствующих растворителях (таких, как вода, ацетон и т. д.), расплавляющиеся и приобретающие свойства жидкости при нагреве (бакелит, формальдегид и т. д.). Таким образом, процесс связывания частиц формовочной смеси можно рассматривать как скрепление твердых тел жидким веществом при определенных условиях.
Прочность связывания зависит от сил когезии и сил адгезии.
Адгезия (прилипание) – слипание разнородных твердых или жидких тел (фаз) в результате межмолекулярного взаимодействия при соприкосновении их поверхностями. Адгезию широко используют в технике для склеивания, сварки, и пайки. В некоторых случаях адгезия вредна (например, прилипание стержня или формы к оснастке).
Для устранения адгезии применяют разделительные покрытия.
Адгезия измеряется работой, затрачиваемой на разъединение частиц разнородных фаз на границе раздела. Когезия (от латинского “связанный”) – сцепление, притяжение между частицами одного и того же твердого тела или жидкости, приводящее к объединению этих частиц в единое тело. Причиной когезии является межмолекулярное взаимодействие. Работа, затрачиваемая на преодоление сил сцепления между частицами внутри фазы, называется работой когезии. Величина адгезии зависит от строения молекул. Высокая адгезионная способность двух фаз будет тогда, когда в состав молекул входят родственные группы – полярные и неполярные. Высокую адгезию к воде имеют группы углеводородов СООН и ОН и низкую – группы с цепочкой СН2. По этой причине не рекомендуется применять одновременно растворимые и не растворимые в воде связующие. Вода, обладающая большой адгезионной способностью к кварцу, вытесняет масла с поверхности песчинки, и они располагаются на поверхности воды в виде тонкой пленки или в виде мелких капель. Это понижает прочность смеси.
При затвердевании жидкой пленки происходит сокращение объема под действием развивающихся в пленках усадочных напряжений. Свободно высыхающие верхние слои, уменьшаясь, тянут за собой нижние слои, связанные с подкладкой. При этом пленка может разрываться в виде мелких трещин. Усадка нарушает связи пленки с подкладкой. Если пленка хрупкая, а связь между пленкой и подкладкой превышает прочность хрупкой пленки, то последняя растрескивается и затем осыпается. Хрупкие пленки образуют органические высыхающие связующие, а смеси на их основе имеют низкую поверхностную прочность и высокую осыпаемость.
При высыхании пленки молекулы органических веществ располагаются длинными цепями параллельно подкладке. Наиболее прочные пленки образуются, если в них возникают пространственные трехмерные сетки.
Связующие, которые вызывают образование прочной пленки, делятся на три группы:
1) затвердевающие после расплавления (канифоль, битум и т. д.);
2) твердеющие при испарении растворителя, например, глина, патока;
3) твердеющие в результате полимеризации полимера (льняное масло, олифа, смолы).
Связующие третьей группы обеспечивают наибольшую прочность. Они дают эластичную и прочную пленку, которая не трескается, не окисляется и не отслаивается от песчинок. К этой группе относятся все масла и смолы. Они являются жидкостями, и поэтому стержневые смеси на их основе обладают низкой прочностью во влажном состоянии.
Связующие второй группы дают прочность ниже, но отличаются повышенной вязкостью: в качестве растворителя главным образом используется вода. В сочетании с глиной они обеспечивают получение стержневых смесей заданной прочности во влажном состоянии.
Связующие первой группы (канифоль, битум) самостоятельно не используются, а входят в состав сложных связующих.
Классификация связующих материалов разработана профессором А. М. Ляссом (ЦНИИТМАШ). В основе классификации связующих материалов, используемых в литейном производстве, лежат два основных признака:
а) природа материала (органический, неорганический, водные и неводные);
б) характер затвердевания (необратимый, промежуточный, обратимый).
Органические материалы не выдерживают высоких температур заливаемого металла и разлагаются, что приводит к облегчению выбивки. Неорганические связующие, напротив, хорошо выдерживают воздействие высоких температур. Они используются для приготовления облицовочных формовочных смесей, а в стержневые смеси добавляются для увеличения сырой прочности.
По отношению к воде связующие делятся на водные и неводные. К неводным относятся такие материалы, которые не растворяются в воде и не смачиваются ею, к водным – растворимые в воде.
Органические неводные связующие – это растительные масла и масла на основе переработки продуктов нефти. Они обеспечивают наиболее высокую прочность стержней после сушки.
Водные и неводные связующие не смешиваются между собой. Их смешивание почти всегда понижает прочность смесей как во влажном, так и в сухом состоянии. Необратимо затвердевающие связующие претерпевают сложные химические изменения при нагреве, вызывающие образование прочной пленки. После охлаждения они не восстанавливают свои первоначальные свойства. В основе их затвердевания лежат процессы полимеризации вещества. Обратимо затвердевающие материалы восстанавливают свои первоначальные свойства после охлаждения (битумы, пеки, канифоль) или при действии растворителя (декстрин, пектиновый клей, барда сульфидного щелока).
К группе с промежуточным характером затвердевания относятся связующие, в состав которых входят вещества с обратимым и необратимым характером затвердевания. Необратимо затвердевающие связующие обеспечивают наибольшую прочность сухих стержней >0,5 МПа/1% (> 5 кг/см2/1%), связующие с промежуточным характером затвердевания дают прочность 0,3–0,5 МПа/1% (3–5 кг/см2/1%), обратимо затвердевающие связующие дают наименьшую прочность до 0,3 МПа/1% (3 кг/см2/1%) . В соответствии с этим связующие разделяются на три группы по удельной прочности на разрыв в сухом состоянии. Удельной прочностью связующего называется прочность, полученная при испытании сухого стандартного образца из смеси с оптимальным содержанием связующих, отнесенная к процентному содержанию связующего в смеси.
К классам А и Б относятся органические связующие: А – неводные, Б – водные. К классу В относятся неорганические водные связующие. Связующие класса А проявляют свои связующие свойства, не требуя добавки воды, и не растворяются в ней. Такими материалами являются масла, битумы, канифоль и др.
В класс Б входят материалы, способные растворяться в воде, а после ее испарения связывать зерна песка. Такими материалами являются лигносульфонаты технические (ЛСТ), декстрин, патока и др.
Класс В содержит жидкое стекло, фосфаты, алюминаты, глину, цемент, гипс и другие неорганические материалы.
Формовка по разъемной модели.
Рассмотренными выше способами изготовления формы по неразъемным моделям пользуются, как правило, для простых изделий. Неразъемные модели сложных изделий нельзя удалить из формы, не повредив ее стенок. Поэтому для удобства изготовления литейной формы модели таких изделий делают разъемными.
При ручном способе изготовления литейной формы формовка по разъемной модели в двух опоках начинается с изготовления нижней полуформы и производится в такой последовательности:
1. Нижнюю половину модели (не имеющую центрирующих шипов) кладут плоскостью разъема вниз на подмодельную доску, припыливают модельной пудрой и накрывают нижней опокой (рис. , а).
2. Через сито просеивают облицовочную смесь, покрывая модель слоем толщиной 15…20 мм, а остальную часть опоки засыпают с избытком наполнительной формовочной смесью.
3. Уплотняют смесь ручной трамбовкой.
4. Линейкой срезают излишки формовочной смеси заподлицо с опокой.
5. Иглой накалывают вентиляционные каналы (рис., б).
6. Набитую опоку переворачивают на 180°.
7. На нижнюю полумодель устанавливают верхнюю полумодель и припыливают ее.
8. Плоскость разъема формы посыпают разделительным сухим песком.
9. На нижнюю опоку по штырям накладывают верхнюю опоку.
10. Устанавливают модели шлакоуловителя, стояка и выпора.
11. Просеивают облицовочную смесь, уплотняя ее руками вокруг моделей литниковой системы (рис. , в).
12. Засыпают верхнюю опоку с избытком наполнительной смесью.
13. Уплотняют формовочную смесь трамбовкой и линейкой срезают
излишки смеси заподлицо с верхней опокой.
14. Иглой накалывают вентиляционные каналы в верхней полуформе и гладилкой вырезают возле стояка литниковую чашу (рис. , г).
15. Удаляют из формы модели стояка и выпора (рис. , д).
16. Снимают верхнюю опоку и переворачивают на 180° (рис. , е).
17. Кистью смачивают формовочную смесь вокруг полумоделей.
18. Подъемником полумодели расталкивают в стороны и осторожно удаляют из форм.
19. В нижней полуформе прорезают питатели.
20. Форму отделывают, поправляют и выглаживают инструментом.
21. Устанавливают в нижнюю полуформу готовые стержни по знакам.
22. Накрывают верхней полуформой (рис. , ж) и нагружают. Общий вид отливки с литниковой системой показан на рис. , з.

Рисунок – Формовка по разъёмной модели.
Машинная формовка
При машинном способе изготовления литейных форм и стержней применяют следующие типы формовочных машин:
- прессовые с давлением прессования до 5⋅105 Па и более 106 Па;
- встряхивающие;
- пескометы;
- пескодувные; - пескострельные;
- импульсные;
- вакуумные;
- специальные (уплотнение формовочной смеси отличается от перечисленных методов).Формовка прессованием.
Прессовые машины могут быть с верхним и нижним прессованием. При верхнем прессовании (рис., а) модельную плиту 2 с моделью 3 укрепляют на столе 1. Устанавливают опоку 4 высотой Н с наполнительной рамкой 5 высотой h, затем в них насыпают формовочную смесь. Стол с опокой поднимается, и прессовая колодка 6, входя внутрь наполнительной рамки 5, уплотняет смесь. Прессование заканчивается в момент, когда вся формовочная смесь, находящаяся в наполнительной рамке, перейдет в опоку. Высота прессовой колодки и высота наполнительной рамки одинаковые. Степень уплотнения ρ смеси при верхнем прессовании неодинакова по высоте опоки. По мере удаления от прессовой колодки степень уплотнения уменьшается до определенного предела и затем несколько возрастает из-за сопротивления, которое оказывает жесткая плоскость модельной плиты передвижению смеси в процессе уплотнения. С увеличением высоты опоки увеличивается неравномерность уплотнения смеси. По этой причине высота опок не может превышать 250 мм.

Рисунок – Схемы верхнего (а) и нижнего (б) прессования и изменение плотности смеси по высоте опок.
В машинах с нижним прессованием (рис. б) роль наполнительной рамки выполняет углубление h в неподвижном столе 7. По сравнению с верхним прессованием максимальная степень уплотнения смеси достигается у модели. Этот вариант технологически более благоприятен, однако такие машины обладают худшими эксплуатационными качествами.
В некоторых машинах прессование осуществляется одновременно с вибрацией. Песчинки смеси совершают колебания с малой амплитудой и большой частотой, трение между ними и о боковые стенки опоки уменьшается. В результате прессование происходит эффективнее, смесь уплотняется равномернее. В этом случае можно применять более высокие опоки.
Прессовые машины, работающие под высоким давлением (2·106 Па), позволяют уплотнять смеси в высоких опоках, которые ранее использовали на встряхивающих машинах, работающих с большим шумом. Прочность формовочной смеси при этом способе увеличивается за счет сцепления зерен песка, а не за счет сил связи между водными оболочками вокруг зерен песка. Поэтому на этих машинах можно использовать смеси с пониженной влажностью (1,5…3%), что уменьшает брак отливок по газовым раковинам. Высокое давление прессования позволяет получать более точный отпечаток и изготовлять отливки с меньшими припусками на механическую обработку. С повышением плотности смеси увеличивается ее теплопроводность, ускоряется охлаждение отливки. Связь между плотностью смеси в форме и давлением прессования выражается формулой
ρ = ρ1+ n lg p,
где ρ1 — средняя плотность смеси; р — давление прессования; n — изменение плотности смеси при изменении давления на 105 Па.
Более равномерное уплотнение формовочной смеси как по высоте, так и по поверхности формы достигается при использовании в качестве уплотняющего органа машины эластичной диафрагмы или многоплунжерной прессовой головки .

Рисунок – Уплотнение формовочной смеси эластичной диафрагмой.
В первом случае после заполнения установленной на модельной плите 4 опоки формовочной смесью к верхнему торцу опоки 3 прижимается кожух 1 с диафрагмой 2, в полость между которыми подается сжатый воздух (рис. , а).
Диафрагма растягивается и равномерно уплотняет формовочную смесь (рис. , б). Давление воздуха передается, прежде всего, в места, допускающие наибольшее сжатие формовочной смеси и расположенные над низкими частями модели 5. Поверхность диафрагмы принимает волнообразную форму, в результате чего ее площадь превышает площадь опоки примерно на 40% и соответственно на 40% возрастает общее давление на форму. Давление сжатого воздуха, а следовательно, и прессования равно (5…6).105 Па. Уплотнив формовочную смесь в опоке, диафрагму извлекают (рис. , в), создавая в пространстве над ней разрежение.
Указанный способ обеспечивает высокую и равномерную плотность смеси во всех частях формы и позволяет изготовлять формы размером до 9000х3000х1500 мм как из обычных песчаных смесей, так и из быстротвердеющих смесей с последующей их продувкой СО2, который подается в полость между диафрагмой и формовочной смесью. Недостатком метода является низкая стойкость диафрагмы, которая выдерживает до 60000 формовок.
Метод прессования многоплунжерной головкой является модификацией диафрагменного прессования (рис. , а). В систему прессования подается масло, давление которого может регулироваться в широких пределах.

Рисунок – Уплотнение формовочной смеси прессовой многоплунжерной головкой.
Цилиндры всех плунжеров соединены друг с другом. Перетекание масла между ними и приводит к тому, что на каждую прессующую колодку (башмак) передается одинаковое по величине давление. Ход перемещения башмака зависит от сопротивления, оказываемого уплотняемой частью формовочной смеси (см. рис.б). Чем оно выше, тем на меньшую высоту перемещается башмак. В результате плотность формовочной смеси в опоке оказывается примерно одинаковой.
Формовка встряхиванием.
На столе 3 машины (, а) укреплена плита 2 с моделью, на которую устанавливают опоку 1 и заполняют ее формовочной смесью. Стол поднимается под давлением воздуха на 30…80 мм. После того как поршень 4 дойдет до отверстия 5, сжатый воздух выйдет, и стол, падая, ударится о преграду. Уплотнение происходит под действием силы тяжести смеси. Число ударов стола о преграду — борта пневматического цилиндра — составляет 30…50 в минуту.

Рисунок – Схема работы встряхивающей формовочной машины
При встряхивании наиболее сильно уплотняются нижние слои, непосредственно прилегающие к модельной плите. По мере удаления от плиты масса вышележащего слоя смеси уменьшается, а следовательно, уменьшается степень уплотнения. Верхний слой смеси остается практически неуп лотненным. Характер плотности смеси по высоте опоки при встряхивании описан кривой 1 на рис. , б. Верхние слои смеси в опоках дополнительно уплотняют подпрессовкой. С этой целью на машинах устанавливают специальные устройства. Характер распределения плотности смеси по высоте опоки после встряхивания и подпрессовки описывается кривой 2 на рис. , б.
.

Рисунок – уплотнения смеси по высоте опоки.
Пескометная формовка.
Используется для изготовления крупногабаритных форм и стержней.
Основной рабочей частью пескомета является головка. Внутри ее кожуха 1 с большой скоростью вращается ротор с одной или двумя лопатками 3 (рис. , а). Скорость вращения ротора 1500 об/мин. Через отверстие 4 в кожухе 1 лопатки выбрасывают смесь 5, которая в головку подается транспортером 2. При падении за счет силы тяжести смесь уплотняется.

Рисунок – Схема уплотнения смеси пескометом и распределение степени
уплотнения смеси по высоте опоки.
Головку монтируют на подвижной консоли пескомета , что дает возможность перемещать ее в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Формы или стержни с помощью пескометов изготовляют двумя способами: перемещением пескомета относительно неподвижных опок или стержневых ящиков и перемещением опок или стержневых ящиков с помощью транспортных устройств относительно неподвижно установленного пескомета.

Рисунок – Пескомётная формовка.
Степень уплотнения смеси по высоте опоки практически одинаковая . Производительность пескометов составляет обычно не менее 10…12 м3/ч формовочной смеси, поэтому их целесообразно применять для изготовления средних и крупных форм и стержней. Пескометы только заполняют опоки смесью и уплотняют ее. Другие операции формовки они не выполняют.
Пескодувная формовка.
Формовочную (стержневую) смесь вдувают в опоку (стержневой ящик) под большим давлением. Машина имеет пескодувный резервуар 3, периодически заполняемый смесью из бункера 9, Вибратор 10 предусмотрен для предупреждения зависания смеси в бункере. Заполненный резервуар перемещается цилиндром 6 по рольгангу 7 на рабочую позицию (рис. , а). При этом бункер 9 перекрывается шиберным затвором 5. Стержневой ящик 1 прижимается столом 2 к вдувной плите 4. Сжатый воздух через распределитель 5 поступает в пескодувный резервуар и через вдувные отверстия выносит песчано-воздушную массу в полость опоки и уплотняет ее. В опоке имеются отверстия (венты), закрытые сеткой и предназначенные для выхода воздуха из полости опоки. В основном смесь уплотняется за счет перепада давления в верхней части ящика, у вдувных отверстий и вент (внизу, сбоку ящика). Если изготовляемый стержень имеет сложную конфигурацию, то венты следует располагать в труднодоступных для смеси местах ящика.

Рисунок – Схема работы пескодувной машины:
а – заполнение пескодувного резервуара смесью;
б – наддув смеси в стержневой ящик.
Пескострельная формовка.
Пескострельные машины являются разновидностью пескодувных. Смесь из бункера 1 через шибер 2 подается в рабочий резервуар 3 и уплотняется при мгновенном перемещении из пескострельного резервуара через вдувное отверстие в стержневой ящик (опоку) под давлением воз-
духа. Сжатый воздух из резервуара 8 через быстродействующий клапан 9 большого сечения поступает в рабочий резервуар 3. Давление в резервуаре мгновенно повышается и ударно действует на смесь, выбрасывая ее через вдувное отверстие 6 в полость стержневого ящика 5. Сопло (вдувное отверстие) обязательно должно быть конической формы, чтобы воздух не прорвался в стержневой ящик и не ухудшил качество уплотнения смеси. Отверстия 7 во вдувной плите 4 необходимы для удаления воздуха, вытесняемого смесью из стержневого ящика. В стержневом ящике венты, как правило, отсутствуют, что в значительной степени удешевляет конструкцию ящика.
При этом не происходит образования воздушно-песчаной смеси. Отсутствие песчано-воздушной массы резко снижает абразивное действие потока смеси на оснастку, что позволяет применять деревянные ящики. На пескострельных машинах в нашей стране и за рубежом изготовляют преимущественно стержни.

Рисунок – Схема работы пескострельной машины.
Импульсная формовка.
Уплотнение смеси происходит за счет удара воздушной (газовой) волны.
Опока 3, установленная на модельной плите 5, после заполнения формовочной смесью подводится под импульсную головку - рабочий орган машины (рис. , а). Сжатый воздух под давлением (6…10)⋅106 Па через рассекатель 1 с большой скоростью поступает в полость формы. Под действием удара воздушной волны формовочная смесь 2 уплотняется в течение 0,02…0,05 с. Оставшийся воздух через венты 4 удаляется. Верхние слои формовочной смеси уплотняют подпрессовкой с помощью плиты 6 (рис. , б). При использовании обычных песчано-глинистых смесей поверхностная твердость формы достигает 89…94 единиц. Максимальное уплотнение смеси соответствует разъему полуформы. Степень уплотнения регулируется исходным давлением воздуха в импульсной головке. Этот метод формовки позволяет использовать и смеси повышенной прочности (до 0,2 МПа). Колебания свойств смесей в заводских условиях практически не влияют на процесс формообразования. Улучшение технологических параметров литейной формы повышает
геометрическую точность отливок, снижает брак, улучшает санитарно-гигиенические условия труда за счет полного устранения вибрации и шума. Импульсную формовку можно применять для изготовления отливок различной номенклатуры в опоках размерами до 3000×2000×2500 мм. Ведущим поставщиком оборудования по Сейатсу – процессу (импульсная формовка с допрессовкой) является немецкая фирма «Генрих Вагнер Синто».

Рисунок – Импульсное уплотнение формовочной смеси
с последующей подпрессовкой.
Вакуумно- плёночная формовка.
Изготовление форм основано на формообразовании и придании им определенной прочности за счет разности давлений с внешней стороны формы (атмосферного) и внутри, между частицами песка. Модель 4 и модельную плиту 5, соединенную вентами 3 с камерой 6, покрывают термопластичной пленкой 2, предварительно подогретой до температуры размягчения с помощью электрических нагревателей 1 . После накрытия модели пленкой в камере 6 создается вакуум, глубина которого зависит от размера форм. Под действием вакуума пленка прилипает к модели и подмодельной плите (рис. б), на которую устанавливают опоку 7 (рис. в) специальной конструкции с полыми стенками и засыпают кварцевый песок или другой огнеупорный материал (рис., г). Песок уплотняется вибрацией. После уплотнения верхняя поверхность опоки перекрывается пленкой (рис., д) и в опоке образуется вакуум. Затем при сохранении вакуума в изготовленной полуформе в камере 6 создается небольшое давление, и модель извлекается (рис. , е). Аналогично изготовляют вторую полуформу. При установке стержней, сборке формы, заливке ее металлом и в период затвердевания отливки в полуформах сохраняется вакуум (рис. ж). В процессе заливки пленка, оформляющая рабочую полость формы, сгорает, а верхняя пленка остается. После охлаждения отливки до заданной температуры вакуум снимается, и отливка свободно удаляется из опок (рис. з). Песок используют многократно.
Метод вакуумной формовки имеет следующие преимущества: отпадает необходимость в связующих материалах и выбивных устройствах, увеличивается срок службы моделей, так как наличие пленки устраняет контакт песка с моделью, резко снижается брак по газовым раковинам, повышается геометрическая точность отливок, обеспечивается высокое качество поверхности, улучшаются санитарно-гигиенические условия труда. В настоящее время метод начинают применять в промышленности.
По методу извлечения модели из формы машины подразделяют на следующие типы:
- со штифтовым подъемом опок;
- с протяжкой модели;
- с поворотной плитой;
- с перекидным столом.

Рисунок – Схема вакуумной формовки:
а - нагрев термопластичной пленки и нанесение ее на модель; б – модель, покрытая пленкой; в – установка опоки; г – заполнение опоки песком; д – накрывание полуформы пленкой и создание разрежения в полости формы; е – создание давления под моделью и извлечение модели из формы; ж – залитая металлом форма и затвердевание отливки; з – удаление отливки из формы. Формовка по газифицируемым моделям
Модель из пенополистерола (рис. а) обладает малой объемной массой, формуется в любой формовочной смеси так, что образуется неразъемная форма (рис. б).
Формовочные смеси должны обладать высокой газопроницаемостью и высокой пластичностью.
Перед заливкой формы модель не извлекается, а металл через литниковую систему заливается непосредственно на модель (рис. в), которая под действием его теплоты газифицируется, освобождая полость формы. Полученная таким образом по однократно используемой модели отливка точно соответствует конфигурации модели.
Главная особенность этого технологического процесса – применение неизвлекаемой перед заливкой металла модели – определяет основные его достоинства: повышается точность отливок, что позволяет уменьшить припуски на механическую обработку; можно изготовить отливки сложной конфигурации без применения стержней, так как формовка осуществляется по чистой модели, при этом упрощается процесс изготовления литейной формы; снижается трудоемкость обрубки и очистки отливок; расширяются возможности автоматизации и механизации процессов изготовления отливок.
а) б) в)
Рисунок – Технология получения отливок по газифицируемым моделям.
В сочетании с хорошей обрабатываемостью применяемого для изготовления моделей пенополистирола эти достоинства позволяют резко сократить цикл подготовки производства, снизить трудоемкость изготовления отливки; в результате способ литья по газифицируемым моделям начал быстро внедряться в производство отливок для машиностроения.
Существенное снижение трудоемкости формовки, повышение качества отливок позволило достичь высокий экономический эффект и полностью исключить брак по усадочным раковинам.
Однократность использования модели предопределила на начальной стадии развития способа наиболее выгодную область его применения – изготовление крупных единичных отливок из чугуна и стали, главным образом деталей технологической оснастки, ремонтного литья.
При увеличении количества отливок затраты на изготовление моделей возрастают и снижается экономическая эффективность, Практика показывает, что в зависимости от группы сложности количество отливок, которое целесообразно изготовлять по моделям, полученным механической обработкой из плит и блоков полистирола, обычно не превышает 5 - 6 шт. Однако совершенствование технологии изготовления моделей с использованием станков с программным управлением для обработки пенополистирола снижает затраты на изготовление моделей и позволяет увеличить серийность до 10 шт. при достаточно высоком экономическом эффекте. В серийном производстве используется пенополистирол в гранулах, а модели получают термообработкой материала в металлических формах.
В серийном и массовом производстве процесс нашел меньшее применение и используется в основном для изготовления отливок из стали и чугуна массой от 0,3 до 25 кг при создании специализированных участков и линий благодаря возможности автоматизации изготовления моделей в пресс-формах. Прогрессивным способом формовки является способ в сыпучие ферромагнитные материалы (дробь стальная, чугунная) с упрочнением формы в магнитном поле.
При достигнутом уровне технологии точность мелких отливок по газифицируемым моделям в формах из сухого песка без связующих и ферромагнитных материалов практически соответствует точности отливок по выплавляемым моделям.
Процессы сорбции продуктов разложения модели металлом сказываются на эксплуатационные характеристики металла отливок по газифицируемым моделям. Повышение содержания углерода в отливках в процессе заполнения формы металлом приводит к возрастанию прочностных характеристик металла отливок из углеродистой стали и некоторому снижению пластических свойств.
Стоимость этих отливок на 30% ниже получаемых в обычных условиях в песчаных формах.
Раздел2. Специальные способы литья. Особенности технологии литья под давлением, в кокиль, по выплавляемым моделям, центробежного. Виды дефектов, меры по предотвращению их образования. Особенности структуры и свойств отливок.
Литье по выплавляемым моделям
При литье по выплавляемым моделям форма представляет собой неразъемную керамическую огнеупорную оболочку, которая формируется из жидких формовочных смесей вокруг разовых неразъемных моделей.
Затем модели удаляют из формы: выплавляют, растворяют или выжигают. Удаление остатков модельного состава и упрочнение оболочки достигается прокаливанием формы при высокой температуре. Заполнению тонких и сложных по конфигурации полостей формы способствует ее нагрев перед заливкой. Модели получают из легко расплавляющихся, сгорающих или растворяющихся материалов. Наиболее часто применяют модельные составы на основе парафина и стеарина, а также церезина, воска и других компонентов, которые относительно легкоплавки (tпл=50…100 оС). В то же время, температура их размягчения превышает температуру помещений. Растворяемые модели получают из составов на основе карбамида, азотокислых и других водорастворимых солей, выжигаемые - из полистирола, а испаряемые – из сухого льда и других материалов.
Выплавляемую модель (рис. , а) отливки 1 получают путем заполнения металлической пресс-формы 2 жидким или пастообразным модельным составом. В первом случае пресс-форму заполняют свободной заливкой или под давлением, во втором – запрессовкой твердожидкого состава, смешанного с 8…20% воздуха, в пресс-формах модельный состав затвердевает и остывает. Затем модели отливок извлекают и соединяют с отдельно изготовленными выплавляемыми моделями литниково-питающей системы 4 в блок (рис. , б). Модели, полученные в пресс-формах, припаивают паяльником 5. В многоместных пресс-формах получают звенья из нескольких моделей, которые связаны друг с другом общей втулкой. При сборе модель литниковой воронки и звенья моделей насаживают на металлический каркас. В блоке моделей втулки, надетые на каркас, образуют стояк. Модели литниковой воронки изготовляют в отдельной пресс-форме. Литниковая система при литье по выплавляемым моделям служит не только для заполнения полости формы расплавом, но и для питания затвердевающей отливки. Металл подводят в наиболее массивные части отливок.
Для получения оболочковой формы модельный блок окунают в огнеупорную суспензию (рис. , в) и обсыпают песком в псевдоожиженном слое (рис. , г) или пескосыпе. Полученное огнеупорное покрытие отвердевают путем сушки на воздухе (рис. , д) или в парах аммиака. Затем на блок наносят таким же образом второй и последующий слой. Первый слой обсыпают песком, размер частиц которого 0,2…0,315 мм; последующие слои – крупнозернистым песком. Обычно оболочковую форму получают четырех – шестикратным нанесением огнеупорного покрытия. При изготовлении крупных отливок на модельном блоке формируют более 12 слоев. После сушки последнего модель выплавляют в горячей воде или расплаве модельной массы (рис. е). Затем оболочковую форму подсушивают на воздухе (рис. , ж).Перед заливкой жидким металлом оболочку засыпают в опоке (рис. , з) опорным наполнителем (обычно кварцевым песком) и обжигают в печи при 800…11000С (рис. , и) для удаления остатков модельной массы , влаги, продуктов неполного гидролиза, а также для упрочнения оболочки спеканием. В массовом производстве оболочки заформовывают горячим опорным наполнителем после их предварительного обжига. Толстостенные оболочковые формы заливают без опорного наполнителя.
Жидкий металл заливают в горячую или охлажденную оболочковую форму (рис. , к). Ее температура при заливке стали и чугуна составляет 800…9000С, сплавов на основе никеля – 900…1000 0С, меди – 600…700 0С, алюминия и магния – 200…250 0С.
После охлаждения отливок их выбивают из формы на решетках. Опорный наполнитель просыпается через решетку, а блок отливок (рис. , л) после дальнейшего охлаждения подвергают предварительной очистке на вибрационных установках.
Рисунок – Схема процесса изготовления отливок по выплавляемыммоделям.
При изготовлении мелких отливок операция предварительной очистки совмещается с операцией отделения литниковых систем. Под действием вибрации отливки отделяются от стояка по наиболее тонкому сечению – месту пережима питателя. Литниковые системы крупных отливок отделяют на металлорежущих станках и прессах, газопламенной и анодно-механической резкой.
При предварительной очистке и отделении отливок оболочка удаляется с наружных поверхностей отливок, но она прочно удерживается в отверстиях и поднутрениях. Остатки керамической оболочки, составляющей до 10% от первоначального количества, удаляют при окончательной очистке. Для этого применяют обычные механические методы, а также химическую очистку в щелочной среде. Стальные и чугунные отливки выщелачивают в 45…55% - ных водных растворах NaOH или KOH, нагретых до 1500С, или в расплавах щелочей при 5000С. Керамическая оболочка разрушается за счет взаимодействия SiO2 со щелочью, образуя силикаты натрия или калия. Для интенсификации процесса выщелачивание совмещают с механической очисткой во вращающихся галто-
вочных барабанах. После выщелачивания отливки промывают в горячей воде, затем пассивируют в водном растворе соды и сушат. При необходимости очищенные отливки подвергают термической обработке в печах с защитной атмосферой. Дальнейшую финишную обработку отливок осуществляют методами механической обработки.
Основными компонентами огнеупорной суспензии являются жидкий связующий раствор и тугоплавкий наполнитель. В качестве связующего используют гидролизированный раствор этилсиликата (ЭТС). Последний представляет собой смесь эфиров кремниевых кислот, которые описываются общей формулой (С2Н5О)2n+2+2SinOn+1, где n = 1,2,3,… ЭТС и вода не растворяются, друг в друге, поэтому реакция гидролиза протекает на границе их раздела. Для ускорения гидролиза ЭТС и воду смешивают в быстроходных мешалках с целью диспергирования ЭТС на мельчайшие капли и увеличения поверхности его раздела с водой, на которой протекает реакция гидролиза. При использовании спирта или ацетона, в которых растворяются и ЭТС и вода, реакция гидролиза идет по всему объему, поэтому допустимо менее интенсивное перемешивание. Для ускорения гидролиза вводят катализатор HCl. При гидролизе этоксильные группы C2H5O частично замещаются гидроксильными. Этот процесс сопровождается поликонденсацией – укреплением молекул. Сшивка более простых молекул в сложные с образованием линейных и сетчатых структур происходит через гидроксильные группы:
- Si – O – H + H – O – Si - = - Si – O – Si - + H20.
При гидролизе малым количеством воды связывающий раствор имеет свойства кремнийорганического полимера. Он отверждается в атмосфере влажного аммиака; при этом завершается реакция гидролиза, этоксильные группы полностью замещаются гидроксильными с образованием поликремневых кислот n SiO2(n+1) H2О. Рост этих молекул приводит к увеличению вязкости раствора и образованию силикозоли. При высушивании и обжиге она сначала превращается в гель, а затем в твердый кремнезем SiO2. Выход SiO2 из исходного ЭТС марки 40 составляет 40%, а из связывающего раствора должно быть ниже 12 – 16%. Поэтому требуемую концентрацию SiO2 получают при разбавлении связующего раствора в процессе гидролиза или после него органическими растворителями (спиртом, ацетоном) или водой.
С увеличением расхода воды на гидролиз возрастает доля этоксильных групп, замещенных гидроксильными на этапе приготовления связывающего раствора, поэтому при большом расходе воды сразу образуются золи кремниевых кислот. Такое связующее отличается малой живучестью, оно быстро отверждается на воздухе при незначительной влажности.
Огнеупорную суспензию готовят двумя способами. По первому (раздельному) способу вначале получают связывающий раствор, а затем в него добавляют тугоплавкий наполнитель и перемешивают в течение 40…60 мин. По второму (совмещенному) способу связывающий раствор и суспензию готовят одновременно в одном реакторе. В качестве тугоплавкого наполнителя используют пылевидный кварц или электрокорунд. Их расход составляет соответственно 2,4…2,7 и 2,6…3 кг на 1 кг связывающего раствора.
Литниково-питающие системы (ЛПС).
При выборе конструкции ЛПС необходимо стремиться к соблюдению следующих принципиальных положений, направленных на получение годных отливок и на экономичность их производства:
обеспечивать принцип направленного затвердевания, т. е. последовательного затвердевания от наиболее тонких частей отливки через ее массивные узлы к прибыли, которая должна затвердевать последней;
наиболее протяженные стенки и тонкие кромки ориентировать в форме вертикально, т. е. наиболее благоприятно для их спокойного и надежного заполнения;
создавать условия для экономичного и механизированного производства отливок, в том числе: унификацию типоразмеров ЛПС и их элементов с учетом эффективного использования оснастки, имеющегося технологического оборудования, печей; возможность применения модельных блоков и форм с металлическими каркасами;удобство выполнения и минимальный объем механической обработки при отрезке отливок и последующем изготовлении из них деталей.
В конкретном производстве конструкции ЛПС необходимо выбирать на возможно более ранней стадии разработки технологии, лучше всего — при эскизном и рабочем проектировании изделия, когда требования к надежной работе ЛПС могут быть учтены в чертеже детали наиболее полно.
ЛПС при литье по выплавляемым моделям строят из известных традиционных элементов: литниковых воронок, стояков, зумпфов, литниковых ходов, прибылей и коллекторов. Благодаря характерной для литья по выплавляемым моделям неразъемной форме указанные конструктивные элементы удается расположить наиболее эффективно, максимально используя объем формы. ЛПС, применяемые в современном производстве отливок литьем по выплавляемым моделям, целесообразно разделить на восемь типов. Учитывая приоритет процесса питания над процессом заполнения, за основу деления ЛПС взят вид того элемента, от которого непосредственно осуществляется питание отливки. Типы ЛПС расположены в таблице по принципу перехода от центрального стояка как предельно коллективной прибыли до системы местных прибылей как предельно расчлененной прибыли.
Типы ЛПС.
Тип I. Центральный стояк. ЛПС этого типа представляет собой стояк компактного сечения, непосредственно к которому с разных сторон присоединяются небольшие отливки с одним-двумя индивидуальными питателями . Центральный стояк является одновременно и литниковым ходом, и коллективной прибылью, а питатели соответственно выполняют и роль шеек прибылей. Центральное расположение стояка обусловливает естественное замедление его охлаждения и способствует направленному затвердеванию периферийно расположенных отливок. Зумпф в нижней части стояка смягчает отрицательное действие механического и теплового ударов, имеющих место в начальный момент заливки.
Центральный стояк служит основой для создания комплексно-механизированного технологического процесса производства небольших отливок. Применение унифицированного металлического каркаса в качестве несущей конструкции обеспечивает удобство звеньевой сборки модельного блока и его высокую прочность при изготовлении оболочковой формы. Уже в отлитом блоке центральный стояк надежно закрепляют в приспособлениях станков при очистке и отрезке отливок. Один из интервалов между отливками должен иметь ширину, достаточную для ввода режущего инструмента.
Л ПС типа I находят широкое применение в производстве отливок массой до 1 кг. В ГОСТ 19551—74—ГОСТ 19554—74 для отливок из углеродистой стали и медных сплавов указаны основные размеры центрального стояка круглого, шестиугольного, квадратного и треугольного сечений высотой до 400 мм. Диаметр стояков круглого сечения изменяется в пределах 25—56 мм, шестиугольного и квадратного 28—50 мм, треугольного 32—50 мм.
Тип II. Горизонтальный коллектор. ЛПС этого типа представляет собой центральный стояк, на котором в один-два яруса и более расположены горизонтальные коллекторы, обычно в виде радиальных лучей, дисков и колец .
Одноярусная ЛПС типа II имеет короткий стояк; ее применяют для протяженных отливок с одним тепловым узлом или для небольших, но компактных отливок. Двухъярусная ЛПС удобна для отливок, требующих подвода металла через два питателя. Многоярусная система типа II в ряде случаев позволяет разместить в форме большее число небольших отливок, чем система типа I, и при более высоком выходе годного. К преимуществам ЛПС типа II относится также удобство отрезки отливок дисковым инструментом. Для комплексной механизации преимущество имеют те варианты ЛПС типа II, которые сконструированы на базе унифицированного центрального стояка, как бы приводящего ЛПС типа II к ЛПС типа I. В ГОСТ 19555—74 — ГОСТ 19560—74; ГОСТ 19562—74 предусмотрены ЛПС типа II горизонтальными коллекторами нескольких разновидностей: дисковыми, кольцевыми, радиальными прямоугольного сечения из двух, трех, четырех и пяти лучей, в виде двух параллельных брусьев прямоугольного сечения.

Рисунок - Литниково-питающая система Рисунок - Литниково-питающая система типа I (центральный стояк). Отливаемые детали: типа II (горизонтальный коллектор):
а — компактная с одним тепловым узлом; а — лучевой одноярусный;
6 — протяженная с двумя тепловыми узлами; б — лучевой двухъярусный;
в — проушина амортизатора автомобиля в — кольцевой трехъярусный

Рисунок - Литниково-питающая система типа III ( вертикальный коллектор):
а - параллельные стояки; б — вертикально-замкнутый кольцевой коллектор;в - стояк
с цилиндрическим коллектором для сложного патрубка.
Тип III. Вертикальный коллектор. Обычно этот коллектор имеет вид системы заливаемых сверху параллельных стояков, единого вертикально-замкнутого коллектора или полого стояка . Параллельные стояки применяют при литье деталей типа плиты или коробки, отличающихся распределенными в плоскости узлами. Вертикально-замкнутый коллектор позволяет эффективно питать отливку типа кольца.
Представляет интерес вертикальный коллектор типа полого стояка. Полый стояк, имея развитую поверхность, позволяет разместить в форме в 2—4 раза больше небольших отливок, чем сплошной. Благодаря ограниченному теплоотводу в сторону полости формы, он отличается высокой питающей способностью в период затвердевания отливок
В ГОСТ 19561—74, ГОСТ 19563-74, ГОСТ 19565-74 приведены основные размеры следующих вертикальных коллекторов: вертикальных кольцевых с внешним кольцом диаметром 100 —200мм, парных незамкнутых и замкнутых, двухпарных. Сечения вертикальных коллекторов прямоугольные, высотой до 250 мм.

Рисунок - Литниково-питающая система Рисунок - Литниково-питающая система
типа IV (сифонный коллектор): типа V (боковая прибыль).
а – заливка через стояк-распределитель;
б - заливка на машине литья под низким
давлением
Тип IV. Вертикальный коллектор, заполняемый снизу. Обычно такой коллектор имеет вид обратного стояка круглого сечения. Применяют его при литье постоянных магнитов из пленообразующих сплавов типа ЮНДК, в том числе в сборные формы и при литье под низким давлением .Тип V. Боковая прибыль. Эта прибыль имеет вид массивного вертикального тела, напоминающего стояк, но отличающегося от него существенно большим поперечным сечением; допускается применение коллекторов в виде местных утолщений. Боковую прибыль используют преимущественно при изготовлении крупных и протяженных отливок, при вертикальной ориентации которых обеспечивается спокойное заполнение формы снизу вверх и сосредоточение в верхней части отливки наиболее горячих порций расплава. Боковая прибыль допускает применение модели с металлическим каркасом, благодаря чему создаются условия для экономии модельных материалов и механизации технологических операций при изготовлении оболочковых форм. На рис. приведена характерная боковая прибыль, используемая при получении крупных и сложных тонкостенных отливок из сложнолегированных сталей.

Рисунок - Литниково-питающая система Рисунок - Литниково-питающая система
типа VI (верхняя прибыль). типа VII (местная прибыль над каждой
отливкой и коллектор).
Тип VI. Верхняя прибыль. Эта прибыль представляет собой массивный резервуар металла над главным тепловым узлом отливки, получаемой в одноместной форме. При наличии в отливке вторичных узлов их питают от этой же прибыли через дополнительные отводы и шейки. Металл в прибыль заливают из ковша или непосредственно из тигля печи.
Тип VII. Местная прибыль и коллектор. Oт стояка с нижним горизонтальным коллектором осуществляется питание нижних узлов у вертикально ориентированных отливок и местных соединенных со стояком прибылей над верхним узлом каждой отливки (рис. 5.8). Эта комбинированная ЛПС обладает следующими преимуществами: лроисходит спокойное заполнение формы снизу, что особенно важно при литье из пленообразующих сплавов, и обеспечивается подвод горячего расплава в прибыль к концу заливки. При центральном расположении стояка создаются условия для размещения в форме нескольких надежно питаемых отливок, в том числе массой более 1кг каждая, и облегчается применение моделей с металлическим каркасом.
Тип VIII. Система местных прибылей . Каждая прибыль в ЛПС этого типа питает отдельный узел или участок протяженного узла сравнительно крупной отливки, преимущественно корпусного типа. Заливают ее обычно через стояк с литниковыми ходами. Система местных прибылей при развитой в пространстве отливке позволяет наиболее эффективно использовать ЛПС путем приближения прибылей непосредственно к питаемым ими участкам, а также достаточно полно учесть взаимное обогревающее влияние элементов отливки и ЛПС.

Рисунок - Литниково-питающая система типа VIII (система местных прибылей). Примеры применения: а — тройник; б — корпус вентиля.
Расчёт ЛПС.
Усадочная раковина проявляется в виде концентрированной раковины, осевой рыхлости у протяженных элементов отливок, выходящего на поверхность глубокого свища в местах сочленения стенок, рассеянной пористости. Усадочная раковина снижает служебные свойства детали, особенно высоконагруженной или герметичной.
После выбора типа ЛПС, опираясь на принцип направленного затвердевания и закономерности процесса питания» можно обеспечить выведение усадочной раковины из тела отливки в прибыль.
Метод приведенных толщин. Для оценки относительной продолжительности затвердевания различных по форме тел Н И. Хворинов ввел понятие приведенной, толщины R = V0 /S0, где V0—объем охлаждаемой отливки; S0 — поверхность ее охлаждения. Используют также понятие приведенной толщины сечения R = F/P, где F—площадь сечения; Р —периметр. Отношение F/P допустимо брать в случаях протяженных элементов, например стояков; коротких элементов типа шеек прибылей и питателей, у которых отсутствует отдача теплоты с торцовых сторон.
Приведенная толщина (в литературе называют также «модулем охлаждения», или «отношением V0/S0») приравнивает, в первом приближении, отливку типа бруса или компактного тела по относительной скорости охлаждения к плоской стенке соответствующей толщины. Разбивая сложную отливку и ЛПС на конструктивные элементы, которые так или иначе приближаются к пластине, брусу или компактному телу, и, пренебрегая взаимным обогревающим влиянием этих элементов в период затвердевания, с помощью метода приведенных толщин оценивают последовательность затвердевания элементов.
Для обеспечения направленного затвердевания необходимо соблюсти условие непрерывного увеличения приведенной толщины от удаленных тонкостенных участков отливки к прибыли.
QUOTE
Где Rn-1, Rn , Rn+1, - приведенные толщины рассматриваемых участков соответственно n-го, прилегающих к n- му со стороны более тонкой части отливки и со стороны прибыли.
Формулы для расчета приведенной толщины различных конструктивных элементов даны в табл. Степень необходимого увеличения приведенной толщины установлена экспериментально.
Таблица Расчёт приведенной толщины
Конструктивный элемент Приведенная толщина
Вид Толщина Ширина Длина элемента по формуле R = V/S сечения элемента по формуле
R = F/P
Пластина
Брус сечения: прямоугольного
квадратного
цилиндрического
Сфера
Куб
Труба (свернутаяпластина) a
a
a
d
d
a
a —
b
a
-
-
b
- —
l
l
l
-
-
l a/2
abl/[2 (ab + bl++al)]
al/[2(a+2l)]
dl/[2(d + 2l)]
d/6
a/b
al/[2(a+ l)] а/2
abl/[2 (а+b)]
a/4
d/4
-
-
а/2
Расчет ЛПС типов I—III, VII при изготовлении небольших отливок. Применительно к литью по выплавляемым моделям метод разработан М. Л. Хенкиным на основе обширных экспериментальных исследований с отливками из углеродистых сталей.
Сечение стояка определяют рациональным размещением отливок. Рекомендуется брать стояки диаметром dc = 26-65 мм (при меньшем — недостаточно прочны, при большем — образуют громоздкие и тяжелые блоки). При расчете стояка, учитывая незначительное влияние торцовых участков, в расчет принимают приведенную толщину сечения Rc = Fс/Pс ,где Fc и Рс — площадь, мм2, и периметр, мм, нормального сечения стояка.
Питатель при этом рекомендуется рассчитывать по следующей эмпирической формуле, в которой первый множитель, стоящий после k, характеризует параметры отливки, второй — параметры:
QUOTE мм,
где Rпит = Fпит/Pпит — приведенная толщина сечения питателя, Fпит и Pпит — площадь, мм2, и периметр, мм, его сечения; k — коэффициент пропорциональности; определяют эмпирически и приближенно принимают, k = 11; Ry = Vy/Sy — приведенная толщина теплового узла отливки, мм; при наличии в отливке двух и более узлов Ry определяют отдельно для каждого узла; G0 — масса отливки, кг; lпит —длина питателя, мм; выбирают lпит = 4-8 мм, т. е. минимально достаточной для отрезки отливок от литников.
При питании отливок от цилиндрического коллектора, выполненного в виде утолщения стояка, например дискового коллектора, принимают приведенную толщину его
QUOTE
Высоту коллектора принимают равной его диаметру или несколько большей.
Для кольцевого коллектора
QUOTE
При ЛПС с коллекторами в виде прямоугольного, бруса приведенную толщину сечения коллектора можно определить также по формуле
QUOTE
Дополнительные условия метода:
- если размеры питателя, не укладываются на тепловом узле отливки, то необходимо уменьшить их до требуемых, а затем определить приведенную толщину стояка, поменяв в формуле местами Rпит и Rc; - расстояние от верхнего уровня литниковой воронки до верхнего уровня отливки должно быть не менее 60 мм;
- при изготовлении отливок из медных сплавов приведенные толщины для стояков и питателей могут быть уменьшены на 30—40 %.
Метод вписанных сфер. В методе вписанных сфер условно принимается, что диаметр сферы D, вписанной в тело отливки, отражает относительную продолжительность затвердевания на рассматриваемом участке. Принцип направленного затвердевания считается выдержанным, если диаметр вписанной сферы постепенно увеличивается в направлении от торцовой части отливки к прибыли. Другими словами, для обеспечения плотного металла необходимо, чтобы на любом n -ом участке тела отливки соблюдалось условие
Dn-1<Dn<Dn+1 ,
где Dn, Dn-l Dn+1 — диаметры вписанных сфер на рассматриваемых участках соответственно n-ом и прилежащих к n-му со стороны торца отливки и со стороны прибыли.
Метод вписанных сфер, называемый также методом вписанных окружностей, характеризуется простотой и наглядностью. Большой круг вписанной сферы несложно изобразить на чертеже сечения отливки, в том числе на чертеже сечения, ограниченного вогнутыми поверхностями; диаметр большого круга может быть определен с достаточной для практики точностью непосредственным измерением на чертеже без вычислений. Диаметр вписанной сферы дает непосредственное представление о толщинах стенки, бруса или компактного узла, в том числе образующихся в результате сочленения элементов. Метод позволяет учесть любые изменения в конструкции отливки и оценить размер узла с внутренними галтелями, чего нельзя сделать методом приведенных толщин.
Вместе с тем метод вписанных сфер, в отличие от метода приведенных толщин, не учитывает влияние формы охлаждаемого тела на скорость его затвердевания; пластина, брус и компактный узел, имеющие одинаковый диаметр вписанной сферы, считаются затвердевающими одновременно. Поэтому на практике может оказаться, что, несмотря на соблюдение метода вписанных сфер, преждевременно затвердевает канал питания и в отливке образуется усадочная раковина.
Расчет ЛПС по диаметрам вписанных сфер применительно к литью по выплавляемым моделям разработан Н. Н. Лященко на основании экспериментальных работ и обобщение производственного опыта (табл. ).
Таблица Формулы для расчета ЛПС типа I
Конструктивный элемент Характерный размер Расчетные формулы узлов
компактного протяженного
Отливка Диаметр сферы, вписанной в узел Dy Определяют по чертежу отливки
Питатель Толщина апит
Ширина bпит
Длина lпит aпит= (l-1,2)Dy,
bпит = апит bпит = (3-4) Dy
lпит =6-8 мм
Стояк Диаметр или ширина ас Определяют по раскладке отливок, но не менее
Расчет размеров прибыли и коллекторов выполняют по формулам, приведенным в табл. ; при расчете прибыли применяют формулы, относящиеся к верхнему узлу, при расчете горизонтального литникового хода — к нижнему узлу. На рис. показана обобщающая схема: верхняя часть относится к расчету прибылей, нижняя — к расчету ЛПС с горизонтальным литниковым ходом.
Коэффициенты k1, k2, k3, отражающие характер и величину усадки сплава, приведены в табл . С целью сокращения расхода металла и высоты блока целесообразно применение закрытых прибылей с выпорами.

Рисунок - Обобщенная схема к расчету прибыли и горизонтального литникового хода методом вписанных сфер
Таблица .Формулы для расчета прибыли (типы V—VIII) и горизонтального литникового хода (II, VII)
Конструктивный элемент Характерный размер Расчетные формулы для узла
компактного протяженного
Отливка Диаметр сферы* вписанной в узел Dy Определяют по чертежу отливки
Шейка
прибыли Толщина, (диаметр) аш
Ширина bш
Высота hш аш=(1-1,2) Dу
bш=аш bш= (3-4) Dy
hш = (0,4-0,5) Dy
Прибыль Толщина нижнего основания ап Ширина нижнего основания bп
Угол привершине конуса а
Высота прибыли:
закрытой hn
открытой h`u
Радиус действия прибыли rд
Наименьшее расстояние между шейками прибылей lп
Ширина верхней части закрытой прибыли ап
Диаметр dвып
Толщина (диаметр) апит
Ширина bпит
Длина lпит
Ширина сечения bх
Высота сечения hx
Ширина (диаметр) ас
bп =ап bп= bш + (k1-l)Dy
a= 10-15°
hn=(2.6-3) Dy
h' = (3-3,5) Dy
rд = k3 Dy
lп=2rд
По построению
dвып= (0,24-0,3) а`п
апит= (1+1,2) D`y
bпит =aпит bпит = (3-4) D'y
lпит = 6-8 мм
bх =k 1D'y
aс > k2bx
Выпор
Питатель
Горизонтальный литниковый ход
Стояк

Таблица . Коэффициенты для стали.
Коэффициенты для стали
Коэффициент углеродистой среднелегированной высоколегированной
k1
k2
k3 1,4
1,2
5 1,6
1,25
4 1,8
1,3
2,5
Пресс-формы и модельные блоки.
Формы для изготовления выплавляемых моделей называют пресс-формами. Они должны отвечать следующим основным требованиям: обеспечивать получение моделей с заданной точностью и чистотой поверхности; иметь минимальное число разъемов при обеспечении удобного и быстрого извлечения моделей; иметь устройства для удаления воздуха из рабочих полостей; быть технологичными в изготовлении, долговечными и удобными в работе.
Выбор типа пресс-формы обусловлен в основном характером производства (опытное, серийное, массовое), а также требованиями, предъявляемыми к отливкам по точности размеров и чистоте поверхности. При крупносерийном, а особенно при массовом производстве следует применять стальные пресс-формы, изготовленные механической обработкой. В таких пресс-формах за одну запрессовку получают звено моделей с готовой частью литниковой системы.
Анализируя целесообразность изготовления сложной и дорогостоящей многогнездной пресс-формы, необходимо исходить из себестоимости отливок, которые можно получить за период нормальной эксплуатации пресс-формы. В массовом производстве высокая стоимость такой пресс-формы окупается быстрее, чем стоимость нескольких более дешевых одногнездных пресс-форм.
При серийном производстве отливок рекомендуется изготовлять пресс-формы по эталону, из металлических легкоплавких сплавов, пластмассы или методом металлизации. В таких пресс-формах можно изготовить до нескольких тысяч моделей с удовлетворительной точностью.
При единичном и мелкосерийном производстве используют цементные, гипсовые и деревянные пресс-формы, в которых можно получить до 200 моделей. Такие пресс-формы целесообразно применять для отработки элементов литниковой системы и определения величины усадки перед изготовлением многогнездных пресс-форм.
При необходимости получения точных и сложных отливок выбирают одногнездные пресс-формы, изготовленные механической обработкой, даже если отливок требуется небольшое количество. При изготовлении очень сложных по конфигурации моделей используют эластичные пресс-формы, выполненные из формопласта, виксинта или резины. В этом случае к отливкам нельзя предъявлять жестких требований по точности, так как получают в основном лишь четкое воспроизведение моделью контуров полости пресс-формы.
Пресс-форму проектируют на основании чертежа отливки, который составляет технолог-литейщик по чертежу детали. На чертеже указывают плоскость разъема пресс-формы, припуски на обработку, базовую поверхность, место подвода металла, размеры элементов литниковой системы (обычно питателей) и технические требования, предъявляемые к отливке.
Если проектируют многогнездную пресс-форму, вычерчивают звено моделей. При разработке его чертежа следует учитывать максимальное размещение моделей в одном 'звене.
Конструкция блока моделей должна обеспечивать его прочность, надежное питание отливок, удобство отделения последних от стояка. На конструкцию блока моделей оказывает влияние способ прокаливания будущих оболочек. При прокаливании в наполнителе блок выполняют компактным с малыми расстояниями между моделями. Прокаливание незаформованного блока требует более разреженного расположения моделей для равномерного прогрева всех элементов блока. В противном случае из-за температурного перепада на оболочках появятся трещины.
Модельные составы.
Процесс изготовления моделей включает операции приготовления модельных составов, получения моделей отливок и ЛПС, отделки и контроля моделей, сборки их в блоки и контроля последних.
Модельные составы могут быть классифицированы по ряду признаков, например, в зависимости от природы и количественного соотношения образующих их компонентов, свойств, методов изготовления моделей, способа удаления последних из форм. Наиболее существенным является первый классификационный признак, так как природа и соотношение компонентов модельного состава определяют его физико-механические, химические и технологические свойства, следовательно и рациональные методы использования.
Наиболее распространёнными являются воскообразные составы. Воскообразные составы различного назначения, централизованно выпускаемые, содержат канифоль, парафин, церезин, пчелиный и карнаубский воск, акравоск В и другие синтетические воски, полиэтилен, дигликольстеарат и другие продукты. Различные составы из этих компонентов имеют температуру каплепадения 65—95 °С, прочность при статическом изгибе 4,8—8 МПа, зольность 0,07—0,38 %, свободную линейную усадку 0,5—1,5 %.
К свойствам модельных составов предъявляют комплекс требований, которые могут иметь существенные различия в зависимости от конфигурации, размеров и назначения отливок, необходимой размерной точности их и качества поверхности, масштабов и характера производства, принятого технологического варианта процесса изготовления оболочек форм, требований к уровню механизации и экономическим показателям производства. Требования во многом определяются также природой и свойствами самого модельного состава. Так, ряд требований к составам группы 3 (например, полная растворяемость в воде) неприменим к составам других групп.
Во всех случаях необходимо, чтобы свойства составов обеспечивали получение высококачественных моделей при одновременной технологичности составов (простоте их приготовления, удобстве использования, возможности утилизации).
Ниже приведены наиболее универсальные требования к модельным составам.
Состав должен точно воспроизводить конфигурацию рабочей полости пресс-формы и ее поверхности, не прилипать к пресс-форме. Поверхность модели должна быть чистой, глянцевой.
После затвердевания в пресс-форме состав должен иметь твердость и прочность достаточные для того, чтобы модели не деформировались и не повреждались на всех технологических операциях.
Усадка состава при охлаждении и расширение его при нагреве должны быть минимальными и стабильными.
Состав должен быть несложным в приготовлении, иметь Минимальное число компонентов, желательно недорогих и недефицитных.
Температура плавления модельного состава должна быть Невысокой, в пределах 60 —100°С. В этом случае облегчается изготовление моделей и удаление их из полости литейных форм. Одновременно температура начала размягчения состава должна быть не ниже 32 — 35оC, т. е. на 10 — 15°С превышать температуру помещений, в которых изготовляют, хранят модели, собирают в блоки и наносят на них суспензию.
Выплавляемый модельный состав должен обладать хорошей жидкотекучестью в расплавленном состоянии для облегчения изготовления моделей и выплавления их из форм.
Модельные составы, запрессовываемые в пастообразном (вязкопластичном) состоянии, должны обладать в этом состоянии хорошей текучестью, позволяющей получать модели с четкой проработкой контуров полости пресс-формы и ее поверхности при малых давлениях прессования.
Продолжительность затвердевания модельного состава в пресс-форме должна быть минимальной.
Плотность состава должна быть невысокой. Желательно, чтобы она была менее 1000 кг/м3. Это облегчает работу с модельными блоками, уменьшает опасность поломки их и деформации под действием собственной массы моделей, а при выплавлении моделей в горячей воде способствует лучшему отделению модельного состава для повторного использования.
Химическое взаимодействие состава с материалом пресс-форм, а также со связующим раствором и огнеупорной основой суспензии недопустимо.
Модельный состав должен хорошо смачиваться суспензией.
Хорошее спаивание модельного состава весьма желательно, так как это облегчает сборку блоков припаиванием и соединение сложных моделей, изготовляемых по частям.
Зольность модельного состава должна быть минимальной.
Структура состава должна быть механически однородной.
Желательно, чтобы модельный состав был пригодным для многократного повторного использования, потери его в процессе применения были минимальными, а технологические свойства не ухудшались при работе и хранении.
Модельный состав в любом состоянии должен быть безвредным для здоровья работающих (в твердом, расплавленном, парообразном виде), также как и продукты его деструкции, образующиеся, например, при прокаливании форм. Отходы модельного состава не должны загрязнять окружающую среду.
Предварительное приготовление большинства модельных составов состоит в поочередном или одновременном расплавлении составляющих, фильтрований расплавов и разливке их в формы-изложницы. В условиях серийного и массового производства расплав можно не сливать в изложницы, а подавать либо непосредственно на операцию изготовления модели либо на приготовление пастообразного состава. При подготовке выплавляемых модельных составов используют до 90 % возврата (состава, бывшего в употреблении), собранного при удалении моделей из оболочек форм. Не следует нагревать состав более чем на 50—60°С выше температуры плавления. Возврат модельного состава, содержащего легко омыляемые компоненты, например стеарин, необходимо не только освежать, но и периодически регенерировать. Разработаны методы, обеспечивающие надежное разделение выплавляющей среды (обычно горячей воды) и модельного состава. Приготовление легкоплавких воскообразных составов. Модельные составы группы 1 на основе парафина, церезина и других легкоплавких материалов приготовляют в водяных, глицериновых или масляных банях с электрическим или газовым подогревом. Применяют для этой цели также термостаты.
Пастообразные составы приготовляют охлаждением расплава при одновременном непрерывном перемешивании его до пастообразного состояния. Устройства для приготовления пастообразных составов либо выполняют в виде отдельных установок, либо объединяют с машинами для изготовления моделей. Установки для приготовления пастообразных составов могут быть с лопастными, поршневыми и шестеренными смесителями.
Изготовление моделей и керамических форм.
Процесс изготовления моделей в пресс-формах включает подготовку пресс-формы, введение в ее полость модельного состава, выдержку модели до затвердевания, разборку пресс-формы и извлечение моделей, а также охлаждение моделей до температуры производственного помещения.
Используют обычно один из следующих способов заполнения пресс-форм модельным составом: свободной заливкой расплава; заливкой под давлением расплава или смеси расплава с порошком твердого наполнителя; запрессовкой в пастообразном состоянии; заливкой под давлением пластифицированных (размягчаемых нагревом) гранул компактного или вспенивающегося термопласта; вдуванием или засыпкой гранул материала, вспенивающегося при последующем прогреве (водой, паром и т. д.).Пастообразный модельный состав запрессовывается с помощью разнообразных устройств — от простейшего ручного шприца до сложных многопозиционных машин-автоматов.
Применяют следующие способы сборки моделей в блоки: припаивание моделей деталей к модели литниковой системы с помощью подогретого ножа, шпателя или специального электропаяльника; соединение моделей в кондукторе с одновременной отливкой моделей литниковой системы или пайкой жидким модельным составом моделей отливок и литниковой системы; механическое скрепление моделей отливок с моделью литниковой системы; приклеивание моделей отливок к модели литниковой системы.
Для сборки мелких моделей в блоки в отечественной промышленности часто применяют полые металлические стояки, на которые наращивают слой модельного состава толщиной 2—5 мм. Состав наносят многократным погружением стояков в расплав модельного состава (4—5 раз) с охлаждением после каждого погружения в течение 8—10 мин, либо в пресс-форме.

Рисунок – Модельные блоки.
При сборке блоков припаиванием моделей стояк закрепляют обычно в горизонтальном положении. Использование металлических стояков позволяет повысить прочность модельных блоков, упростить процесс изготовления моделей литниковой системы, сократить расход модельного состава и облегчить выплавление его из форм, обеспечить удобство транспортирования, хранения и просушивания блоков при изготовлении оболочки. Блоки моделей, собранные припаиванием, показаны на рис. . Для подвода металла сифоном к металлическому стояку припаивают коллекторы из модельного состава, изготовляемые в пресс-форме.
Формирование оболочек включает: приготовление связующего и суспензии, смачивание ею блоков моделей, обсыпку блоков зернистым огнеупором, сушку оболочек.
Приготовление связующего раствора. Связующее получают гидролизом ЭТС, для чего вводят воду. Гидролиз — это процесс замещения содержащихся в ЭТС этоксильных групп (С2Н6О) гидроксильными (ОН), содержащимися в воде. Гидролиз сопровождается поликонденсацией.
Поликонденсация — объединение одинаковых или различных молекул в одну с образованием полимеров и выделением простейшего вещества, например воды, которая опять может вступать в реакцию гидролиза.
Полимеризация — объединение молекул, но в отличие от поликондеисации не сопровождается выделением простейшего вещества.
Связующие растворы обычно готовят в смесителях с частотой вращения крыльчатки 2800 об/мин. В таком смесителе или подобных ему готовят также суспензии.
Суспензия для оболочковых форм — это взвесь твердых различной величины окатанных частиц огнеупорной основы в жидкости.
Твердые составляющие видны под оптическим микроскопом, так как размеры их наименьших частиц всегда больше 10-4 см. Последнее отличает их от коллоидов, размеры которых всегда меньше 10-4 см, хотя суспензии, как и коллоиды, имеют поверхность раздела между твердыми частицами и жидкой составляющей. Жидкая составляющая суспензии представляет собой связующий раствор.
Суспензия должна обладать комплексом свойств: седиментационной устойчивостью, смачиваемостью поверхности моделей и оболочек, быть живучей.
Седиментациойная устойчивость — это свойство суспензий не расслаиваться. Чем дисперснее и меньше плотность твердой составляющей и выше (в определенных пределах) вязкость жидкой, тем более устойчива суспензия. Добавками и непрерывным медленным перемешиванием суспензии поддерживают равномерность ее зернового состава по высоте ванны.
Смачивание поверхности блоков моделей особенно важно при формировании первого облицовочного слоя, так как при этом образуется контактный слой оболочки. Водно-спиртовые суспензии плохо смачивают модели, поэтому в них вводят смачиватели (ПАВ).
Живучесть — продолжительность жизни суспензии, т. е. сохранение технологической вязкости до начала ее желатинизации. При снижении температуры, как известно, замедляются все реакции, в том числе и коагуляция связующих в суспензиях. Особое значение имеет температура этилсиликатных суспензий, в которых органический растворитель заменен водой. В целях увеличения продолжительности жизни суспензий температуру их поддерживают в пределах 10—12 °С обычно путем непрерывного водяного охлаждения емкости с суспензией.
Смачивание блоков моделей суспензией. Различают смачивание для формирования первого (контактного) слоя оболочки и ее последующих слоев. В обоих случаях блок медленно погружают в суспензию, поворачивая его в различных направлениях.
При нанесении первого слоя суспензия удаляет с поверхности моделей адсорбированный воздух и смачивает поверхность блока. Смачивать суспензией модели можно только после полного завершения процессов их усадки. При нанесении последующих слоев оболочка впитывает жидкую составляющую суспензии, вследствие чего последняя постепенно густеет, повышается ее вязкость; Повышение вязкости связано также с испарением органических растворителей даже при добавке в суспензию антииспарителя. Вязкость суспензии поддерживают в определенных пределах постоянным добавлением в нее разбавленного раствора, степень разбавления которого устанавливают опытным путем.
Последний слой оболочки наносят без последующей обсыпки зернистым материалом. Такой прием несколько повышает общую прочность оболочки и предотвращает осыпание поверхностных зерен при выплавлении моделей. При извлечении смоченного блока из суспензии его поворачивают в различные направления с такой скоростью, чтобы успел стечь излишек суспензии и она равномерным слоем покрывала поверхность моделей. Далее на слой суспензии немедленно наносят зернистый обсыпочный материал.
Обсыпка блоков зернистым огнеупором. Известны два способа обсыпки и соответственно два типа пескосыпов.
1. Создают «дождь» из зернистого материала в барабанных или элеваторных пескосыпах; падающие зерна обсыпки равномерно внедряются в толщу слоя суспензии.2. Создают псевдоожиженный слой зерен обсыпки, пропуская сжатый воздух снизу через пористую перегородку, и в слой находящихся во взвешенном состоянии зерен погружают блок на несколько секунд. При этом зерна прилипают к суспензии. Первому способу следует отдать предпочтение вследствие образования равномерной оболочки большей толщины при меньшей энергоемкости процесса. При втором же способе верхний слой обсыпки в пескосыпе всегда обогащен более мелкими зернами.
Во время сушки оболочек протекают процессы собственно сушки, диффузии, гидролитической поликонденсации, коагуляции, усадки, образования капилляров. Собственно сушка — это перемещение влаги в сторону меньшей влажности и испарение ее с поверхности оболочки. С повышением температуры кипения растворителя продолжительность сушки увеличивается в такой последовательности: ацетон, этиловый спирт, изопропиловый спирт, водно-спиртовая смесь, вода. Это следует учитывать при выборе режима сушки.
В результате диффузии жидкость суспензии перемещается к свободной поверхности оболочки, т. е. в сторону, где меньше ее концентрация. Следствие этого — выравнивание содержания связующего по толщине будущей оболочки формы. Диффузия особо наглядна при формировании двухслойных оболочек, когда только токопроводный слой содержит связующее.
В результате испарения влаги (воды, спирта) количество жидкости в слое оболочки уменьшается, а следовательно, уменьшается толщина пленок и происходит сближение зерен. Но в затвердевших пленках сближение зерен невозможно, поэтому в пленках возникают напряжения и в оболочке могут образоваться трещины.
Блоки помещают в шкаф или подвешивают на цепь конвейерного сушила и непрерывно удаляют пары растворителя с помощью вентиляции. При небольших масштабах производства применяют вытяжные шкафы или камеры с выкатывающимися тележками. Этажерку с блоками закатывают в камеру и пускают вентилятор. Если применяют аммиак, то через 1 ч после воздушной сушки выключают вентилятор, закрывают задвижки и из баллона в течение 5 мин наполняют камеру влажным газообразным аммиаком, который пропускают через воду. После 10—20-минутной выдержки проветривают камеру в течение 10—30 мин.
В массовом производстве нашли применение горизонтальные и вертикальные сушила с кондиционированием воздуха по влажности и температуре. Вертикальные сушила позволяют лучше организовать воздушный поток в камерах и занимают меньше площади.
Сушка в вакууме основана на известном явлении — снижении температуры испарения жидкостей с понижением давления.
Вытопка и прокаливание форм.
Торец литниковой воронки покрыт оболочкой при ее формировании, что препятствует удалению модельного состава, а в случае применения металлического стояка — извлечению его из блока моделей. Торцовый слой оболочки на воронке отрезают вращающимся тонким абразивным отрезным кругом.
Воскообразные модели выплавляют, солевые — растворяют, а пенополистироловые выжигают.
Модели удаляют из оболочек или из форм после формовки блоков. При выплавлении моделей в прочной оболочке могут образоваться трещины, если блок нагревать медленно, так как модель, прогреваясь на всю толщину, расширяется, давит на оболочку изнутри и разрывает ее. При быстром же нагреве модель оплавляется с поверхности, жидкий модельный состав
При выплавлении моделей паром в камере автоклава температуру повышают в течение нескольких секунд до 135—150 °С. Вследствие высокой теплоемкости пара модели быстро оплавляются, трещины в оболочках не успевают образоваться. Для выплавления диэлектрическим нагревом оболочку блоков, пропитывают водой и размещают их в нагревательной камере, где создают поле высокой частоты. Происходит быстрый нагрев оболочки. При этом поверхность моделей оплавляется с образованием зазора, компенсирующего расширение моделей. В последнее время для указанной цели используют и метод СВЧ-нагрева.
В серийном и единичном производстве для выплавления применяют установки периодического действия, В механизированных и автоматизированных цехах массового производства выплавляют модели в установках непрерывного действия. Комбинированное выплавление заключается в следующем: после высушивания последнего слоя оболочки с ЭТС связующим типа орг-1 или орг-2 блоки смачивают водой, имеющей температуру окружающей среды; вода заполняет капилляры оболочки. Затем модели выплавляют в расплаве модельного состава при температуре ~100°С и выше, после чего из оболочек вымывают остатки модельного состава в воде при температуре ~100 °С. Пропитывание оболочек водой увеличивает теплопроводность их. Таким образом, этот способ сочетает преимущество выплавления в модельном составе — быстрый нагрев и то, что модельный материал не может пропитать оболочки, так как ее капилляры заполнены водой, а промывка оболочек горячей водой обеспечивает наиболее полное удаление из них модельного состава. В массовом производстве устанавливают последовательно три ванны: для смачивания оболочек, выплавления моделей в модельном составе, промывки их в горячей воде.
Применяют и выплавление моделей горячим воздухом из форм после заформовывания блоков в опорный наполнитель. Формы на поддоне ставят в печь литниковой воронкой вниз. Оболочка при выплавлении впитывает часть модельного состава, который надо выжечь при прокаливании.
Сравнение известных способов выплавления моделей из оболочек показывает, что наиболее рациональными являются: выплавление паром в автоклаве и нагревом СВЧ.
Растворение моделей. Растворителями могут быть вода для солевых (например, карбамидных) моделей и органические жидкости, например, для пенополистироловых моделей плотностью более 200 кг/м3. При меньшей плотности их целесообразно выжигать одновременно с прокаливанием оболочек, после растворения оболочки промывают в проточной воде.
Формовка при литье по выплавляемым моделям — это упаковка оболочек в опорный наполнитель до прокаливания их или перед заливкой.
Известны следующие способы формовки: прокаливание и заливка оболочек без опорного наполнителя; формовка холодных (после выплавления моделей) оболочек, прокаливание и заливка их в наполнителе; прокаливание оболочек без наполнителя, формовка их в горячем наполнителе и заливка.
Оболочки из материалов основы с очень малым линейным расширением не заформовывают, их прокаливают с большой скоростью нагрева. Оболочки же из материалов со значительным расширением нагревают при прокаливании медленно и заливают только горячими.
Формовка холодных оболочек сыпучим наполнителем. На дно опоки, представляющей собой коробку, насыпают небольшой слой наполнителя, чтобы верхний уровень торца литниковой воронки оболочки был примерно на уровне верха опоки; ставят оболочки, воронки закрывают крышками и насыпают наполнитель. В него могут быть введены связующие, например борная кислота. Опоку ставят на вибростол с амплитудой колебаний 0,5—0,6 мм и частотой колебаний около 1400 в минуту. После уплотнения снимают крышки и формы направляют для прокаливания в печь.
Оболочки прокаливают 7—10 ч и заливают их горячими, при литьё стали они имеют температуру 800—900 °С; с момента извлечения форм из печи и до их заливки упакованные оболочки не успевают охлаждаться. При использовании опорного наполнителя оболочки нагревают постепенно и заливают горячими. Однако процесс прокаливания заформованных оболочек длителен, требует значительных затрат энергии и большого расхода жаростойких опок. При этом к оболочке, пропитанной модельным составом, затруднен доступ кислорода воздуха, необходимый для выжигания остатков модельного состава. В качестве наполнителя чаще всего применяют обычный кварцевый песок (кристаллический кварц) как один из доступных материалов. Однако это нередко приводит к искажению размеров оболочек и, следовательно, отливок, так как примыкающие к опоке наружные слои песка нагреваются до температуры полиморфного превращения (573 °С) и расширяются раньше, чем прилегающие к оболочке слои песка и сама оболочка. Расширяющийся песок, ограниченный стенками опоки, расширение которой невелико, давит на оболочку, что может вызвать ее деформацию или разрушение. При дальнейшем нагреве оболочки до температуры полиморфного превращения кварца, ее расширению в этот период препятствует наполнитель, оказывая на оболочку значительное давление. В результате наполнитель сжимает оболочку, в ней образуются трещины. Давление может вызвать даже деформацию (выпучивание) опоки, либо образование в ней трещин.
Следовательно, лучшим вариантом является прокаливание оболочек и заливка их без опорного наполнителя. Если это невозможно, то рационально прокаливать оболочку без наполнителя, а затем заливать в обогреваемых контейнерах (также без опорного наполнителя), либо упаковывать перед заливкой в горячий опорный наполнитель. При этом следует применять оболочковые и наполнительные материалы, не имеющие полиморфных превращений, например НКС, шамот, электрокорунд.
При прокаливании решаются три задачи: удаление газотворных составляющих, повышение прочности, нагрев оболочки для лучшего заполнения полостей металлическим расплавом. Прокаливают оболочки в окислительной среде нагревом до 800—1100°С с последующей выдержкой. При этом протекают процессы: нагрев оболочки; удаление из нее газотворных составляющих, источником которых является влага; удаление остатков модельного состава и продуктов деструкции связующего; гидролитическая поликоиденсация связующего; образование кристаллических структур связующего; термическое расширение оболочки и полиморфные превращения; образование капиллярных каналов.Передача теплоты оболочке и перемещение теплоты в толще последней — главные процессы; все другие — следствие их. Отметим, что оболочковая форма обладает низкой эффективной теплопроводностью и она увеличивается с увеличением температуры. Например, теплопроводность кварцевой оболочки 0,29 Вт/(м·°С) при 600 °С, 0,35 Вт/(м·°С) при 1100 °С, 0,56 Вт/(м·°С) при 1500 °С.
Оболочковые формы, как правило, заливают горячими и поэтому нельзя отрывать прокаливание их от заливки. Температура формы должна быть при заливке сплавов: на основе железа 800—900 °С, на основе никеля 900—1100 °С, на основе меди 600—700 °С, на основе алюминия и магния 200—250 °С. При заливке сплавов на основе меди, алюминия и магния оболочки после прокаливания охлаждают.
Главные источники газов: модельный состав, впитавшийся в оболочку, и продукты деструкции связующего. Процесс их удаления состоит из двух стадий: газификации и сжигания продуктов деструкции; выжигания углерода, отложившегося в капиллярах оболочки. Цвет излома полностью прокаленной оболочки белый или розовый. Цвет излома от черного до серого — признак того, что в капиллярах есть углерод и оболочковая форма недостаточно газопроницаема; полученные отливки поражены газовыми раковинами и имеют повышенное содержание углерода в поверхностном слое стальных отливок.
Изготовление керамических стержней.
Керамическими называют негазотворные стержни без связующих или с неорганическими связующими. Такие стержни применяют для получения в отливках протяженных узких сложных полостей или отверстий, например, в полых охлаждаемых лопатках с щелями, сужающимися до 0,4 мм, в цельнолитых колесах со сложным профилем лопаток, в сложных корпусных отливках.
Стержни со знаками изготовляют в металлических полированных стержневых ящиках, затем прокаливают или сушат, контролируют их точность и прочность, после чего устанавливают в пресс-формы для изготовления удаляемых моделей. После образования оболочек на блоках моделей и удаления последних стержни в полости оболочковых форм зафиксированы знаками .В области верхних знаков между стержнем и оболочкой предусматривают термические зазоры, чтобы при прокаливании оболочек последние не препятствовали расширению стержней, а также чтобы расширение оболочек при нагреве не вызывало растягивающих напряжений и трещин в стержнях. Зазоры предусматривают вокруг верхнего знака стержня и на его торце, величину их рассчитывают и выполняют путем наклеивания сгорающей при прокаливании пленки или слоя выплавляемого модельного состава. Свойства керамических стержней. У стержней должна быть гладкая поверхность — высота микронеровностей Rz < 30 мкм; низкий коэффициент линейного расширения — менее 2·10-6 1/°С в интервале температур 20—1100 °С; стойкость к тепловым ударам до температуры 1250—1300°С; точность размеров— в пределах менее ±0,15 % номинальных; высокая прочность — σи > 15 МПа; высокая пористость (влагоемкость) — 25—30 %; низкая (сравнительно) плотность — 1200— 1700 кг/м3. Стержни также не должны деформироваться при заливке оболочек расплавом. Деформация под нагрузкой 0,4 МПа не должна происходить при температуре ниже 1250 °С. Стержень не должен взаимодействовать химически со сплавом или его окислами; удаление его из полостей отливок должно осуществляться без особых затруднений механическим, электрохимическим, химическим способами. Материалы для изготовления керамических стержней должны быть недефицитными и по возможности недорогими.
Этому комплексу свойств наиболее полно соответствуют порошки НКС и циркона. Так, коэффициент линейного расширения при нагреве до 1100 °С стержней из кристаллического кварца 1,92·10-5 1/°С, а из порошков НКС — 2·10-7 1/°С, т. е. почти на два порядка меньше. Следует отметить, что тепловое расширение кристаллического кварца проходит обратимо и скачкообразно, изготовление стержней из него не будет рассмотрено.

Рисунок – Схема оболочки со стержнем:
1 — керамический стержень; 2 — оболочка
Стержни подразделяют на спеченные (I класс) и холодноотвержденные (II класс).Спеченные стержни получают сухим твердофазным и жидкостным спеканием. Под спеканием понимают изготовление камнеподобных предметов после обжига сформованных с пластификатором смесей из полидисперсных порошков.
Сухое спекание — это процесс, идущий в направлении уменьшения свободной энергии системы и протекающий при температуре не менее 0,8t плавления чистого огнеупорного окисла, при этом зерна порошков «свариваются» (спекаются друг с другом), стержни приобретают прочность. Для уменьшения температуры и продолжительности спекания в смеси вводят добавки — минерализаторы (например, в корундовую смесь вводят 5 % порошка стабилизированной двуокиси циркония). Сухое спекание широко применяют для изготовления тонкостенных стержней, прочных при температуре 20 °С и заливке расплава.
Жидкостное спекание отличается от сухого тем, что в смесь порошков вводят легкоплавую добавку, например, тонкий порошок силиката натрия с температурой плавления ~700 °С. Затвердевшая после охлаждения жидкость служит связующим стержней. Однако такие стержни размягчаются и теряют прочность при нагреве до сравнительно невысоких температур.
II класс — холодноотвержденные стержни. Способ изготовления их основан на свойстве кислого (рН ≈ 2) связующего раствора ЭТС, например типа орг-1, переходить в желатинообразное, а затем в твердое состояние — гель — при введении в смесь щелочной жидкости с рН > 8. Гель SiО2 цементирует зерна основы, обеспечивает прочность стержню. Жидкость с высоким рН называют огеливателем; важно, чтобы огеливатель испарился при нагреве стержня, не вступал в химическое взаимодействие с собственно связующим (SiО2) и основой. Стержни не спекают, а после сушки и контроля их используют при изготовлении моделей. Прокаливают стержни одновременно с прокаливанием оболочек. Прочность таких стержней до нагрева с оболочкой примерно на порядок ниже прочности стержней класса I. Поэтому при уменьшении толщин стенок отливок до 0,5—1 мм и уменьшении толщин стержней до 0,4—1 мм следует применять стержни, получаемые сухим спеканием.
Изготовление керамических стержней I класса включает: приготовление пластичной горячей стержневой смеси, формирование стержня в пресс-ящике и обжиг. В обогреваемый смеситель загружают пластификатор, расплавляют его, вводят основу смеси и минерализатор, перемешивают их непрерывно, температуру смеси поддерживают с помощью терморегулятора. Пластификатор способствует введению горячей смеси в пресс-ящик, а после охлаждения он служит связующим стержня до его спекания. Целесообразно изготовлять стержни полыми — оболочковыми с толщиной стенок 1,5—2 мм. Полости выполняют металлическими вкладышами с уклоном 1—3°, которые извлекают после затвердевания пластификатора. Перед укладкой стержней в короба для обжига в полость засыпают глинозем.
Обжигают стержни в засыпке из глинозема или на огнеупорных пористых драйерах. Это необходимо, так как при обжиге вследствие расплавления пластификатора стержень полностью теряет прочность; одновременно засыпка или драйер служит адсорбентом пластификатора.
Обжигают стержни в газовых печах, так как в них можно поддерживать окислительную среду, необходимую для сжигания пластификатора и выделяемого им углерода. Известны два режима обжига. По первому режиму стержни в коробах загружают в теплую печь и со скоростью —100 °С/ч повышают температуру до 1000— 1100 °С, выдерживают при этой температуре, затем обеспечивают температуру спекания порошков стержня, выдерживают несколько часов, после чего медленно охлаждают (примерная длительность цикла 20—25 ч). По второму режиму стержни в коробах загружают в печь при температуре спекания (1200—1300 °С), выдерживают 6—10 ч и охлаждают (стержни остывают вместе с коробами). Второй режим является предпочтительным, но связан с необходимостью применять термостойкие короба.
Изготовление керамических стержней II класса состоит из приготовления стержневой смеси, запрессовки ее в ящик и сушки (отверждения). Применяют, как правило, связующие типа орг-1.
В литературе рекомендуют в качестве отвердителей растворы едкого натра. Но едкий натр не испаряется и не сгорает при накаливании, а с гелем SiО2 образует легкоплавкое стекло с низкой вязкостью, пленки которого окружают зерна основы. Деформация стержня интенсивно возрастает при нагреве его до температуры выше 600 °С. Стержни толщиной 0,4—2,5 мм быстро нагреваются до температуры затвердевания расплава, деформируются или разрушаются, что приводит к браку отливок. Кроме того, при огеливании едким натром трудно управлять процессом огеливания и на стержнях образуются крупные трещины. Свойствами не образовывать с материалом стержней легкоплавкие соединения и улетучиваться при прокаливании (t ≈ 300 °С) обладают, например, триэтаноламин, аммиак или их смеси, растворимые в спирте и воде. Как правило, количество огеливателя составляет 1 % по массе к связующему. Концентрацию его устанавливают опытным путем в зависимости от необходимой продолжительности огеливания.
Стержневую смесь приготовляют однофазным или двухфазным методами. При однофазном методе мерную дозу связующего для одного стержня смешивают с огеливателем и вводят туда предварительно смешанные твердые составляющие. После 15—20 с перемешивания смесь до начала огеливания запрессовывают в ящик.
На первой фазе двухфазного метода в течение 40—60 мин связующее смешивают с основой до получения густой, но текучей смеси. Такая смесь при медленном перемешивании в защищенном от испарения спирта сосуде не изменяет свои свойства и может быть использована в течение нескольких дней. На второй фазе процесса — перед употреблением смеси в нее при активном перемешивании вводят огеливатель, перемешивают 15—30 с и запрессовывают смесь в ящик, где она отверждается.
При двухфазном способе нет ограничений по времени и интенсивности перемешивания смеси без огеливателя. Получают однородную смесь с равномерным распределением связующего на зернах, а также крупных зерен в объеме смеси. Это позволяет в один объем связующего замешать на 25—30 % больше твердых составляющих, чем при однофазном способе, достичь более плотной укладки зерен и, как следствие, уменьшить усадку при затвердевании геля и размеры трещин; а также повысить прочность стержней на 50—60 % при меньшем расходе связующего. Применение двухфазного способа позволяет механизировать процесс приготовления смеси.
Порцию смеси запрессовывают в металлический ящик и после перехода ее в резиноподобное состояние (через 1—2 мин) снимают одну половину ящика, а оставшийся во второй половине стержень сушат с помощью пламени горелки. С поверхности стержня испаряется и сгорает спирт, диффундирующий из глубинных слоев. Стержень твердеет. Этот процесс сопровождается усадкой связующего и образованием трещин. При медленном твердении стержня (в естественных условиях) развиваются крупные трещины шириной до 1 мм. Интенсивный нагрев пламенем горелки ускоряет процесс необратимого твердения геля и предотвращает образование крупных трещин. Пары спирта сгорают на поверхности стержня и на ней образуется сетка мелких трещин, которые затирают густой суспензией с помощью тампона.
Вместо сжигания спирта горелкой можно применять вакуумную сушку. Стержень на нижней части ящика помещают в вакуумный шкаф и постепенно создают разрежение; вакуумная сушка уменьшает количество и размеры трещин, что приводит к повышению прочности стержней.
Повышение прочности керамических стержней пропиткой. Пропитывают стержни толщиной 0,4—4 мм раствором эпоксидной смолы: 9 частей смолы смешивают с 1-й частью полиэтиленамина; в 4 части этой смеси вливают 6 частей ацетона и получают однородный раствор; затем в него на 3—5 мин погружают стержни; после чего их сушат 10—20 мин в вытяжном шкафу; полимеризуют смолу в стержнях при 120—140 °С за 40—60 мин . После этого прочность электрокорундовых стержней, предварительно спеченных при 1300 °С, повышается с 14—15 до 50МПа. В процессе прокаливания при 1000 °С электрокорундовых оболочек с пропитанными стержнями смола выгорает и прочность стержней становится примерно такой же, как до пропитки и их удаляют из отливок обычными способами. Этот же способ можно рекомендовать для существенного повышения прочности тонкостенных холодноотвержденных стержней.
Заливка и выбивка форм.
При литье по выплавляемым моделям в качестве составляющих шихты используют готовые сплавы в слитках, ферросплавы, лигатуры, поставляемые металлургическими заводами. Реже для выплавки сплавов особо ответственного назначения со строго регламентированным содержанием примесей используют чистые металлы. В качестве полноценных свежих сплавов широко используют отходы кузнечно-прессовых и металлообрабатывающих цехов: немерные заготовки, обрезки, высечки, облой, бракованные детали.
В производстве литья по выплавляемым моделям наибольшее распространение получили индукционные плавильные печи вместимостью до 250 кг. Одним из преимуществ этих печей является малый угар элементов, так как процесс плавки протекает быстро и идет под слоем нейтрального или восстановительного шлака. Угар элементов колеблется в значительных пределах. Шихту рассчитывают, пользуясь следующими исходными данными: требуемым химическим составом сплава, химическим составом шихтовых материалов, угаром элементов.
Для плавки сплавов могут быть применены любые плавильные печи, отвечающие требованиям выплавки данного сплава и условиям производства. Однако особенности технологии определяют следующие специфические требования к плавильным агрегатам: работа плавильных печей должна быть согласована по времени с циклом прокаливания форм; вместимость плавильных печей должна соответствовать объему полостей одновременно заливаемых форм; для плавки и заливки специальных, в том числе пленообразующих сплавов, следует применять вакуумные печи, обеспечивающие минимальное окисление сплава в процессе плавки и заливки.Плавка жаропрочных литейных сплавов, содержащих алюминий и титан, в вакуумных индукционных печах повышенной частоты находит все большее применение. По своему сродству к кислороду алюминий уступает лишь магнию и кальцию. Вакуум благоприятствует любой химической реакции, в ходе которой из нелетучих веществ образуются газы или летучие вещества, в результате чего понижается температура и становится возможным протекание данной реакции.
Рекомендуется также подогревать до температуры 300—400 °С никель, медь и алюминий перед загрузкой в плавильный тигель. За грузку и плавку шихтовых материалов необходимо вести в определенной последовательности: при плавке в кислом тигле загружают битое стекло (2 % массы шихты), затем железо, кобальт. Включают ток и ведут плавку на максимально возможной мощности печи. После расплавления большей части железа и кобальта в тигель загружаютникель, медь и сернистое железо, а потом возврат (литники и другие отходы). Во время расплавления шихты ванна должна быть все время покрыта шлаком.
После заливки формы охлаждают естественным путем — на воздухе — или принудительно — обдувкой холодным воздухом, душированием водой. Естественное охлаждение происходит весьма медленно. Например, средняя скорость охлаждения стальных отливок, залитых в форму с опорным наполнителем при 900 °С, составляет ~6 °С/мин. Та же форма, но без наполнителя, охлаждается со скоростью 30 °С/мин. В механизированных цехах формы с наполнителем охлаждают на конвейере, имеющем кожух с отсасывающей вентиляцией (скорость охлаждения до 12 °С/мин) или же с душированием извлеченных из накопителя блоков водой (до 80°С/мин).
Для выбивки блоков отливок применяют выбивные решетки и поворотные машины. Эти устройства работают обычно в комплексе с механизмами для просеивания и возврата опорного наполнителя.
Очистка отливок.
На блоках отливок после выбивки имеются остатки оболочки и наполнителя. Чем выше температура выбитых блоков, тем больше и плотнее слой наполнителя. После охлаждения наполнитель осыпается, блоки проходят предварительную очистку и далее поступают на операцию отделения от ЛПС и окончательную очистку. Блоки предварительно очищают ударами по литниковой воронке. В механизированном производстве для этого применяют специальные вибрационные установки.При изготовлении мелких отливок, часто применяют вибрационные установки, выполняющие две операции — предварительную очистку и отделение отливок. Предварительной очисткой оболочку удаляют только с наружных частей отливок, но она остается в отверстиях и поднутрениях.Для отделения отливок от литниковой системы применяют следующие способы: отбивку на вибрационных установках, отрезку на металлорежущих станках, отделение на прессах, газопламенную и анодно-механическую резку Отбивка на вибрационных установках заключается в том, что при ударной вибрации блока отливка приобретает колебательное движение, вследствие чего разрушается металл питателя и отливка отваливается от стояка. Для этого в определенном месте на питателе выполняют пережим, являющийся концентратором напряжений. В вибрационных установках блок отливок зумпфом устанавливают на подпятник подушки. Боек перфоратора прижимают к литниковой воронке блока пневмоцилиндром. При включении установки вначале отделяется оболочка, а затем и отливки, которые падают в ящик. Вся установка заключена в звукоизоляционный корпус.Газопламенную и анодно-механическую резку применяют главным образом для отрезки прибылей от крупногабаритных отливок. Отрезка прибылей, а иногда и отрезка отливок от стояка с помощью газовых горелок — трудоемкий процесс, трудно поддающийся механизации. При газопламенной резке ввиду неравномерного нагрева в отливках могут возникать термические напряжения и деформации. Брызги расплавленного металла часто попадают на поверхность отливок, ухудшая их качество.
Сущность анодно-механической резки основана на сочетании электрохимического и теплового действий тока с механическим воздействием (рис. 8.3). Полюсы источника постоянного тока низкого напряжений соединяют с отрезаемой отливкой — анодом 3 и вращающимся диском — катодом 1. Для предупреждения короткого замыкания электродов в пространство между отливкой и диском подают по трубе 2 непрерывной струей электролит (раствор жидкого стекла).
Обработка отливок в расплавленной щелочи позволяет удалять с них не только остатки оболочки, но и окалину. Высокая химическая стойкость алюмосиликатов (муллит, шамот) не позволяет использовать растворы и расплавы щелочей для очистки отливок от оболочки из этих материалов. В НИИТАвтопроме разработаны специальные составы, в которых растворяются алюмосиликаты. Полная и быстрая очистка происходит в расплаве соды и буры.
Технико-экономические показатели процесса ЛВМ.
Применение способа литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) обеспечивает возможность изготовления из любых литейных сплавов фасонных отливок, в том числе сложных по конфигурации и тонкостенных, с шероховатостью поверхности от Rz=20 мкм до Ra=1,25 мкм (ГОСТ 2789-73) и повышенной точностью размеров (до 8-10-го квалитетов по ГОСТ 25347-82 или до 3 – 5 –го классов точности по ГОСТ 26645-85).С помощью ЛВМ получают отливки, максимально приближенные по форме и размерам к готовой детали, а в ряде случаев не нуждающиеся в обработке резанием. В результате значительно снижающихся трудоемкости и стоимости изготовления изделий, сокращается расход металла и инструмента, потребность в производственных площадях, станочном оборудовании и приспособлениях, уменьшаются энергоемкость производства, а также потребность в рабочих-станочниках высокой квалификации.
Применение ЛВМ позволяет проектировать сложные тонкостенные детали (с толщиной стенки 1 мм и меньше), объединять отдельные детали в компактные цельнолитые узлы, уменьшая массу и габаритные размеры изделий, создавать конструкции (например, охлаждаемые лопатки ГТД со сложными лабиринтными полостями газового тракта), невыполнимыми какими-либо другими методами обработки.
Применение высокоогнеупорных и термостойких материалов для изготовления оболочек форм, пригодных для нагрева до температуры, превышающей температуру плавления литейного сплава, и быстрого охлаждения без деформации и разрушения, позволяет эффективно использовать методы направленной кристаллизации, получать высоко герметичные отливки массой до 300 кг, формировать транскристаллическую структуру и получать монокристаллические изделия.
ЛВМ используют в различных отраслях машиностроения и приборостроения, особенно в таких, как производство летательных аппаратов, автомобилей, сельскохозяйственных машин, электронных приборов, гидромашин, различных видов военной техники. Это определяется гибкостью технологии ЛВМ, многочисленностью вариантов. Каждый из этих вариантов наиболее эффективен в определенных условиях производства, при разных его масштабах и требованиях к качеству отливок.
Основным требованием к технологии ЛВМ является получение отливок с минимальными затратами на их изготовление, включая последующую обработку резанием. Поэтому при принятии решения об изготовлении той или иной детали литьем по выплавляемым моделям или при переводе на этот вид литья деталей, ранее изготавливающихся из поковок, штамповок или проката, необходимо оценить технологичность отливки, т.е. возможность при минимальных затратах изготовить отливку с высокими (заданными) показателями по точности, шероховатости и структурно-механическим свойствам.Точность размеров отливок оценивают обычно по отклонению действительного размера от номинального, т.е. по полным полям рассеяния размеров, зависящим от допусков на размеры полости пресс-форм, колебания усадки модельной композиции и расплава металла, свойств оболочки формы.
Погрешности подразделяют на систематические и случайные. К первым относятся погрешности изготовления пресс-форм (допуски на размеры их рабочих полостей должны соответствовать 8-10-му квалитетам по ГОСТ 25347-82), ко вторым погрешности, вызванные колебаниями усадки модельных композиций и металла отливки, объемными изменениями покрытия модели и оболочки формы в процессе их изготовления и эксплуатации. Суммируя систематические и случайные погрешности, вычисляют полные поля рассеивания.
В соответствии с ГОСТ 26645-85 для ЛВМ допуск соответствует 3-8-му классам точности. Шероховатость поверхности отливок, изготовляемых ЛВМ, зависит от шероховатости поверхности оснастки и моделей, размеров частиц формообразующих материалов, особенно используемых для изготовления первого (лицевого) слоя формы, способности жидкообразных формообразующих материалов смачивать огнеупорные частицы и поверхность моделей, смачиваемости расплавленным материалом материала формы против воздействия с раствором и его оксидами.
При ЛВМ механические свойства частей отливок с достаточным питанием и направленным затвердеванием соответствуют данным, приведенным в ГОСТе; для более тонких частей отливок, затвердевание которых не происходит направленно, стандартные значения механических свойств необходимо уменьшить: σВ на 10…20%; δ на 15…25%; ψ на 20…30%.
Отверстия диаметром до 6 мм можно получить без применения стержней лишь при их глубине до 12 мм.
Основными недостатками литья по выплавляемым моделям является низкая производительность, высокая стоимость исходных материалов и сложность процесса, особенно при изготовлении крупных отливок.
Стоимость 1 т. отливок ЛВМ в 5 раз выше, чем при литье в песчано-глинистых формах. Преимущества литья по выплавляемым моделям могут быть реализованы только в том случае, если отливки сконструированы с учетом особенностей этого способа. Обычно на ЛВМ переводят детали, изготавливаемые из проката, поковок и штампованных заготовок сложной механической обработкой. Эти детали имеют массивные элементы, большие плоские поверхности, резкие переходы от одного сечения к другому. При переводе деталей на ЛВМ необходимо обеспечить:
- возможность направленного затвердевания металла от тонких частей к толстым (прибыли), чтобы получить отливки без усадочных раковин;
- уменьшение массы детали за счет устранения утолщений (бобышек, приливов и других элементов);
- плавные сопряжения тонких и толстых сечений;
- жесткость конструкции, исключающую коробление отливки при ее длительном охлаждении. С этой целью на параллельных плоскостях необходимо оформлять наружные установочные бурты или ребра.
Литье в кокиль.
Кокилем называют литейную форму из чугуна, стали или алюминия. Перед заливкой кокили подогревают, рабочую поверхность их окрашивают. Заливают расплав. Кокиль в 3…5 раз быстрее песчано-глинистой формы отводит теплоту перегрева и затвердевания сплава. Интенсивность затвердевания отливки, а также ее отдельных частей регулируют главным образом температурой нагрева кокиля и толщиной теплоизолирующей краски. Из кокиля отливку удаляют горячей при температуре составляющей 0,6…0,8 температуры солидуса сплава. Далее она охлаждается на воздухе или в специальной камере. Кокиль охлаждают или подогревают до определенной температуры (200…300ºС). Цикл повторяется.

Рисунок – Кокиль разъемный с песчаным стержнем:
1 – нижняя часть; 2 – средняя часть; 3 – верхняя часть кокиля;
4 - выпор; 5 – рабочая полость; 6 – стержень; 7 – литник.
Таким образом, время от заливки кокиля до удаления отливки и продолжительность охлаждения или подогрева кокиля определяют темп его работы. Как правило, оптимальную температуру кокиля поддерживают темпом работы. В кокиле можно получать простые отливки без полостей (например, слитки, валки) и фасонные отливки со сложными полостями. Кокили используются
при литье многократно (для цветных сплавов до сотен тысяч, при литье чугуна – 3000…5000 заливок).
Полости в отливках оформляются песчаными, оболочковыми или металлическими стержнями. Кокили могут быть неразъемные (вытяжные) и разъемные. Последние делают с вертикальной, горизонтальной или наклонной плоскостями разъема. Кокили с песчаными стержнями применяют преимущественно для получения чугунных и стальных отливок, с металлическими стержнями – для отливок цветных легких сплавов (алюминиевых, магниевых). Для удаления во время заливки воздуха из полости кокиля предусматривают выпоры, вентиляционные риски по плоскости разъема или специальные отверстия, называемые вентами.
Отливки, изготовляемые в кокиле, должны отвечать следующим требованиям:
1) отливки должны легко удаляться из формы при минимальном количестве ее прямолинейных разъемов;
2) во избежание брака по трещинам отливки не должны иметь резких переходов от толстой стенки к тонкой, большого количества выступающих частей, углублений и острых внутренних углов;
3) толщина стенки отливки должна быть достаточной, чтобы форма целиком заполнялась расплавленным металлом при определённом технологическом режиме; минимальная толщина стенок небольших отливок должна быть не менее 2 мм, а крупных отливок — не менее 6-15 мм;
4) Литейные уклоны назначаются по следующим входным параметрам: технологический процесс, вид поверхности (наружная, внутренняя), материал моделей, заливаемый сплав при литье в металлические формы.
Радиусы закругления внутренних углов отливок должны быть в два-три раза больше, чем при литье в песчаную форму;
5) в отливках, получаемых с помощью металлических стержней, всячески стремиться избегать поднутрений во внутренней части отливки;
6) ребра, бобышки и другие выступы должны располагаться перпендикулярно плоскости разъёма кокиля.
Положение отливки в кокиле определяется конструкцией детали.
Наилучшим расположением отливки в кокиле считается такое, которое обеспечивает получение точных размеров отливки, устраняет брак по газовым раковинам и усадочным дефектам.
При выборе положения отливок в кокиле необходимо учитывать, что отдельные рекомендации имеют различное значение для разных сплавов в зависимости от их литейных свойств, величины усадки при затвердевании, интервала кристаллизации, теплопроводности сплава, склонности к образованию трещин и т. д.
Основные требования, предъявляемые к выбору положения отливки в кокиле:
стремиться расположить развитые плоские поверхности отливок внизу, вертикально или наклонно (особенно базовые и обрабатываемые поверхности), что позволит предупредить брак по газовым раковинам, шлаковым включениям и другим порокам;
обрабатываемые поверхности отливки во время заливки кокиля располагать в верхних частях кокиля, при этом литейные дефекты перемещаются в те части отливки, которые удаляются при обрубке или механической обработке;
обеспечить направленное затвердевание отливок в сторону расположения прибыли, особенно для сплавов, имеющих большую объёмную усадку или ликвацию, так как это приведёт к предупреждению брак по усадочным раковинам или ликвации;
располагать тонкие стенки отливки в нижних частях кокиля для предупреждения брака по недоливам и спаям;
обеспечить спокойное заполнение кокиля сплавом, исключающее перегрев отдельных стенок кокиля и разрушение стержней струёй металла, что приведёт к предупреждению образования в отливке газовых раковин, корольков, ужимин и засоров;
предусматривать свободное удаление воздуха и газов в период заливки кокиля. Не допускать образования в полости кокиля непромываемых сплавом полостей, а также падения сплава в полость кокиля с высоты более 80 мм для алюминиевых сплавов. Вывод газа осуществлять через выпор, пробки, щели и т. д. Это позволит предупредить образование в отливке газовых раковин, спаев, корольков, неслитин и т. д.
Следует стремиться к минимальному числу разъёмов кокиля и избегать сложных разъемов по кривой или ломаной линии, так как эти можно обеспечить получение точной отливки с минимальной механической обработкой. Полости, впадины и сквозные отверстия в отливке образуются при помощи стержней. Конструкция стержня должна обеспечивать удобство установки его в форму без перекосов и смещений во время заливки, а также легкую удаляемость из отливки.
Выбор конструкции машины во многом зависит от типа применяемого стержня.
Песчаные стержни наиболее часто применяют для крупных и сложных полостей отливок из алюминиевых сплавов.
При конструировании стержневого знака необходимо стремиться к хорошему центрированию стержня, предупреждению его перекоса и всплывания в период заливки формы металлом. Кроме того, необходимо обеспечить надежную легкую установку стержней в форму и создать свободный отвод газов из формы через стержень.
Основное положительное свойство песчаных стержней состоит в том, что с их помощью можно изготовить сложную полость отливки, и они легко выбиваются из отливки. Однако песчаные стержни не могут обеспечить большую точность литья, служат источником газовой пористости, усадочных дефектов, а также снижают производительность труда при изготовлении отливок в кокиле.
Отливки из алюминиевых сплавов преимущественно изготовляются с применением металлических стержней. Металлические стержни чаще всего изготовляются из стали (сталь 45, У8А, 5ХНМ, ХВС и др.) и реже из чугуна.
Стержни сложной конфигурации с тонкими сечениями делаются из высоколегированных сталей или из углеродистой стали с последующей цементацией.
Стержни диаметром от 100 мм и более изготовляются полыми; при этом толщина стенок стержня колеблется в пределах 15—20 мм.
Комбинированные стержни применяются для отливок со сложными по конструкции полостями, образованными металлическими стержнями в сочетании с песчаными. Песчаные стержни служат для образования сложных полостей, а металлические — более простых частей полости. Как правило, для таких отливок применяют металлические стержни в местах большого скопления металла (ступицы, втулки и т. п.). При совместной установке металлического и песчаного стержней необходимо предусмотреть отвод газа из песчаного стержня.
Литниковые системы.
Вертикально-щелевая литниковая система является одной из самых распространённых при литье в кокиль.
Вертикально-щелевая литниковая система наряду со спокойным вводом расплава в форму обеспечивает хорошую заполняемость форм тонкостенных отливок, задерживает неметаллические включения при отшлаковывании в вертикальном колодце, создаёт благоприятные условия для последовательной, направленной снизу вверх кристаллизации отливок, обеспечивая подачу горячего металла в верхние слои отливки и прибыль. Таким образом, этот тип литниковой системы обеспечивает лучший тепловой режим и лучшую заполняемость тонкостенных отливок.
К недостаткам вертикально-щелевой литниковой системы относятся6 возможность вспенивания сплава в начальный момент заполнения формы и опасность возникновения местных перегревов формы в области, прилегающей к вертикальным щелям, приводящих к образованию дефектов усадочного характера, а также сложность её выполнения в форме и удаления при обрубке.
Приведённую толщину стенки отливки , м рассчитываем по формуле:

где - минимальная толщина стенки отливки, м;
Предельно допустимую скорость заполнения , м/с находим по формуле

где - критерий шлакообразования;
- коэффициент кинематической вязкости расплава, м2/ч; ;
- толщина плены, м;
- поверхностное натяжение, Н/м;
- плотность жидкого сплава, кг/м3; Определяем расход металла, м3/с по формуле

где - длина растекания сплава, м.
Определяем угол растекания металла , 0 по формуле:
,
где δщ – толщина щелевого питателя, м, ;
где δ0 – толщина стенки отливки, м.
Скорость поперечного растекания , м/с определяем по формуле:
,
где S – коэффициент Шези, S=1.
Находим высоту потока расплава , м, растекающегося по поверхности застойной зоны:

Определяем отношение площади поперечного сечения растекающегося расплава к его периметру:
;
Находим значение коэффициента теплоотдачи , Вт/(м2∙К) в форму и в застойную зону по значению критерия Нуссельта:
,
где λ – теплопроводность расплава, Вт/(м∙К);
Nu – критерий Нуссельта,
где Pe – критерий Пекле,
где а – коэффициент температуропроводности, м2/с.
Рассчитываем максимальную длину растекания расплава :
,
где ТЗАЛ – температура заливки, К;
ТФН – начальная температура формы, К; Тфн= 293 К;
Т0 – температура нулевой жидкотекучести, К; ,
где ТL – температура ликвидус, К;
ТС – температура солидус, К;
m – количество твёрдой фазы;
сж – теплоемкость расплава, Дж/(кг∙К);
bM, bФ – соответственно теплоаккумулирующая способность металла и формы, Вт∙с1/2/(м2∙К).
Сравниваем максимальную длину растекания с длиной отливки. Должно выполняться условие:
LP ≥ 1,2L,
где L – длина отливки, м;
Рассчитаем площадь стояка , м2:
,
где μ – коэффициент расхода литниковой системы; =0,6;
g – ускорение свободного падения, м/с2; g=9,81 м/с2;
Нст – напор металла, м;
Найдем радиус стояка Rст, м из выражения:
,
Определяем диаметр колодца dк, м литниковой системы по выражению:

где dщ – диаметр щели, м.

Извлечение стержней и отливок.
При затвердевании и охлаждении происходит усадка металла, в результате чего отливка оказывается защемленной в кокиле или стержень обжимается отливкой. Поэтому при раскрытии кокиля необходимы значительные усилия для отрыва кокиля от отливки и извлечения из нее стержня. На усилие извлечения металлического стержня оказывают влияние величина усадки отливки, зависящая от состава сплава и температуры отливки в момент извлечения; температура стержня; величина уклона, форма и размеры стержня, состав облицовки и краски на поверхности стержня, шероховатость и твердость поверхности стержня, толщина стенки отливки.
С увеличением продолжительности выдержки стержня в отливке и отливки в кокиле усилие извлечения возрастает.
Песчаные стержни обычно выбиваются вместе с отливкой.
Удаление металлических стержней из отливки осложняется тем, что при усадке происходит обжатие отливкой металлических стержней. Чем толще стенка отливки, тем сильнее это обжатие. В результате обжатия стержня металлом отливки в последней возникают напряжения растяжения, и если стержень не извлекать сразу же после заливки формы, то в отливке могут образоваться трещины.Для извлечения металлических стержней в момент отрыва стержня от отливки требуются большие усилия. В дальнейшем для удаления стержня требуются незначительные усилия. Механизмы для удаления металлических стержней должны быстро срабатывать, так как стержень извлекается из формы до её раскрытия, то есть когда отливка имеет ещё высокую температуру и небольшую усадку.
Для удаления стержней из отливки применяются гидравлические и пневматические приводы. Эти приводы можно поставить в любом месте, где требуется установка стержня. Приводы легко включаются в любое время независимо от открывания формы.Наибольшее применение нашли гидравлические приводы, так как при компактных размерах цилиндра они обладают большой мощностью и работают исключительно плавно, без толчков; однако гидравлический привод требует установки гидравлического насоса .Выбор механизма для удаления отливок из формы зависит от конфигурации отливаемой детали, положения ее в форме и степени механизации технологических процессов.При выборе способа удаления отливки из формы прежде всего определяется, в какой полуформе должна остаться отливка после раскрытия формы, сколько потребуется выталкивателей, чтобы предупредить перекос отливки и её повреждение.Для удаления отливок из формы используют выталкиватели. Выталкиватели чаще всего применяются в тех случаях, когда отливка полностью или большей своей частью располагается в одной половинке формы. Выталкиватели изготовляются в виде цилиндрических штырей. В стенке формы в месте прохода выталкивателя делают отверстие по его диаметру. Выталкиватель вставляется в форму заподлицо.Если применяется один выталкиватель, то он должен располагаться в центре сопротивления извлекаемой отливки. Обычно выталкиватели направляются в выступающие части отливки.Для правильной установки выталкивателя и предотвращения его перекоса с наружной стороны формы отливаются приливы, в которых и высверливаются отверстия для выталкивателя. Выталкиватели должны быть так сконструированы и изготовлены, чтобы после удаления отливок они автоматически возвращались в первоначальное положение. Для этого наряду с выталкивателями применяют и контртолкатели. Выталкиватели при их движении в форме должны иметь минимальное трение о стенки и хорошие направляющие, предупреждающие их изгиб и перекоса. Выталкиватели изготовляются из чугуна или стали.Пружинные выталкиватели применяются в вытряхных и створчатых кокилях.
Технико–экономические показатели процесса.
Литье в кокили – один из прогрессивных способов изготовления отливок в серийном и массовом производстве отливок из цветных и черных сплавов. При литье в металлические формы достигается повышенная точность и малая шероховатость поверхностей отливок. Этим объясняется меньшие припуски на обработку и допуски на размеры отливок.
К числу основных особенностей процесса относятся:
1. Повышенная плотность мелкозернистой структуры металла отливок, которая вызвана интенсивным теплообменом между отливкой и кокилем, что существенно повышает свойства магниевых и алюминиевых сплавов.
2. Чугунные отливки, как правило, получаются с отбеленным поверхностным слоем и остаточными внутренними напряжениями, поэтому их необходимо отжигать;
3. В кокилях трудно изготовлять фасонные стальные отливки, так как с повышением интенсивности теплообмена между отливкой и кокилем увеличивается вероятность образования трещин в стали, а также вследствие низкой стойкости кокилей (не более 200…300 заливок);
4. Трудоемкость изготовления отливок в кокилях меньше, чем при литье в разовые формы; качество поверхности и точность размеров отливок выше, меньше припуски на обработку, лучше условия труда;
5. Высока стоимость кокиля. Поэтому литье применяют, если снижаются затраты на изготовление готовой детали с учетом стоимости кокиля, расхода металла в стружку и снижение затрат на механическую обработку. Этот способ литья целесообразно применять в массовом и крупносерийном производстве, когда партия составляет не менее 300…500 отливок. Во многих случаях, особенно при литье стали и чугуна, решающее значение имеет метод изготовления кокиля, который определяет его стоимость. Наиболее точные кокили изготавливают механической обработкой в инструментальных цехах. Их применяют для литья цветных сплавов. Такие кокили дороги. Для литья чугуна и стали применяют, как правило, литые, более экономичные, хотя и менее точные, чугунные кокили без последующей механической обработки.Кокиль применяют также для изготовления отливок, к которым предъявляют определенные технические требования, например, получить чугунный прокатный валок с отбеленным твердым износостойким поверхностным слоем можно только в кокиле; плотные без усадочной рыхлости с повышенными свойствами отливки из алюминиевых сплавов с широким интервалом температур затвердевания.При переводе заготовок на литье в кокиль необходимо выполнять следующие требования обеспечения технологичности конструкции отливок: для облегчения удаления отливки из кокиля необходимо предусмотреть литейные уклоны стенок, направленные в сторону разъема кокиля; не допускать в отливках резких переходов от толстых сечений к тонким; избегать выступающих частей и углублений, затрудняющих усадку металла.Следует избегать в отливках глубоких литых отверстий небольшого диаметра. Для повышения жесткости отливок и устранения возможного их коробления при извлечения из формы, а также при термической обработке, предусматривают ребра жесткости. Однако следует учитывать то, что большое число ребер жесткости затрудняет усадку отливок и может привести к образованию трещин. Толщина ребер жесткости должна составлять 0,6…0,8 толщины сопрягаемых стенок отливки. Для облегчения механической обработки или повышения эксплуатационных свойств их отдельных частей иногда целесообразно армировать отливки вкладышами. Вкладыши можно применять для получения фасонных биметаллических деталей из легких сплавов в комбинации со сталью.Стоимость кокильного литья при среднесерийном и массовом производстве в условиях механизированного изготовления отливок аналогична литью в песчано-глинистые формы.
8. Литье под давлением.
При литье под давлением металлическая форма, называемая пресс-формой, заполняется расплавом под действием внешней силы, превосходящей силу тяжести, а затвердевание в ней отливки происходит под избыточным давлением. Последнее создают с помощью поршня в камере прессования, которая соединена с полостью пресс-формы.Технология литья под давлением отличается коротким циклом, включает мало операций, но реализация их возможна только с применением специальных машин. По устройству узла прессования их классифицируют на три типа: с холодной горизонтальной, с холодной вертикальной и с горячей вертикальной камерой прессования.На машинах с вертикальной холодной камерой прессования, камера отделена от печи с расплавленным металлом (рис. , а). Сплав 2 заливают мерной ложкой в камеру сжатия 3 (I положение). Верхний поршень 1, опускаясь, оказывает давление на сплав, а нижний поршень 10, перемещаясь, открывает литниковый канал. Сплав заполняет полость формы, состоящей из двух половин 4 и 5 (II положение). После затвердевания металла подвижная полуформа 4 отходит в сторону, и отливка 7, вместе с литником 8, выталкивается толкателями 6, а излишек металла 9 – поршнем 10 (III положение). Процесс литья под давлением на машине с горизонтальной холодной камерой сжатия (рис. , б) протекает в той же последовательности.
В машинах с горячей камерой сжатия камера размещается непосредственно в ванне с жидким металлом и подвержена его воздействию. На рис. изображена схема работы такой машины. Чугунный тигель 1 для поддержания постоянной температуры жидкого сплава снизу подогревается. При верхнемположении поршня 4 через отверстие 2 сплав заполняет цилиндр 3 и канал 5. Перед заливкой форма 7 закрывается и конец мундштука 6 заходит в канал 5. При опускании поршень вытесняет сплав из цилиндра и канала в полость формы. После затвердевания отливки поршень поднимается, форма раскрывается, и отливка выталкивается из формы толкателями 8. К преимуществам машин с горячей камерой сжатия относится возможность большей автоматизации, большая производительность, меньшие потери металла и улучшение условий труда. Однако на них нельзя получать отливки из сплавов с температурой плавления выше 723°К и, кроме того, поршень, находящийся в расплаве, быстро изнашивается. Поэтому машины с горячей камерой сжатия применяют только для изготовления отливок из цинковых и других легкоплавких сплавов. Машины с холодной камерой прессования применяют для получения отливок из алюминиевых, магниевых и медных сплавов.

Рисунок – Поршневые машины для литья под давлением с холодной каме-
рой сжатия.
Особенности способа и области его применения обусловлены условиями заполнения пресс-форм и питания отливок. Сплав заполняет пресс-форму за доли секунды (0,01…0,6 с) при скорости 120 м/с. При такой скорости поступления металла в форму он сильно фонтанирует, ударяется о стенки формы и в течение 0,003…0,004 с закупоривает вентиляционные каналы. Только часть (10…30%) газа – воздух и пар от смазывающего материала – удаляются из полости формы, образуется воздушно-металлическая эмульсия, которая затем затвердевает. Вследствие этого полученные отливки имеют специфический дефект – газовую пористость, низкие плотность, механические и особенно пластические свойства. Их нельзя подвергать термической обработке, так как при нагреве поверхность вспучивается вследствие расширения газа в порах. В момент окончания заполнения полости формы движущийся с большой скоростью сплав мгновенно останавливается. Энергия движения потока преобразуется в энергию давления, которое мгновенно повышается. Происходит гидравлический удар, действующий в течение весьма краткого времени. Мгновенно повышающееся давление прижимает металл к рабочей поверхности пресс-формы и способствует четкому оформлению конфигурации отливки, чеканит ее. Отливка точно воспроизводит конфигурацию полости пресс-формы. Получаются точные с гладкой поверхностью тонкостенные (0,8…6 мм) отливки.
Кроме того, благодаря тесному контакту между пресс-формой и отливкой увеличивается интенсивность теплообмена, уменьшается время затвердевания последней. Вследствие гидравлического удара поверхностный слой (0,02…0,2 мм) отливок получается плотным, без газовой пористости, пузырьки газа остаются во внутренних сечениях отливки. Однако, под действием гидравлического удара подвижная часть пресс-формы всегда немного отходит от неподвижной.

Рисунок – Поршневая машина с горячей камерой сжатия.
Между полуформами образуется зазор, через который может происходить разбрызгивание металла. Отливки имеют заливы по разъему пресс-форм, которые необходимо удалять. Снижается точность отливок в направлении, перпендикулярном разъему пресс-формы. Во избежание разбрызгивания в машинах предусматривают мощные запирающие устройства. Величина запирающего усилия является главной характеристикой машин литья под давлением. В малых машинах она не превышает 2 МН, в средних составляет 2…6 МН, в больших достигает 30 МН. Совершенствование этого исключительно прогрессивного по точности и производительности способа литья направлено на предупреждение образования газовой и усадочной пористости. Известны следующие направления:
•вакуумирование полости пресс-формы, а также сплава, поскольку воздушная пористость является главным дефектом отливок;
•применение толстых питателей вместо тонких щелевых, чтобы они затвердевали позднее отливки и питание ее осуществлялось под давлением прессующего плунжера;
•совместное использование первого и второго направлений;
•заполнение полости формы кислородом, после вытеснения воздуха, перед самым началом заливки (способ А.А. Рыжикова).
Весь кислород расходуется на окисление расплава с образованием очень малого по объему количества оксидов, исчезает источник образования газовой пористости – азот. При этом применяют негазотворные смазывающие материалы для пресс-форм и камеры прессования. Последнее направление используют при производстве алюминиевого литья.
Технико-экономические показатели процесса.
Литьем под давлением получают сложные тонкостенные отливки из сплавов цветных металлов массой от нескольких граммов до десятков килограммов с высокой точностью размеров, с гладкой и чистой поверхностью. Переход на литье под давлением снижает трудоемкость изготовления отливок в литейных цехах в 10…12 раз, в механических – в 5…8 раз.Этот способ стал главным способом получения отливок из алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов в массовом производстве, например деталей карбюраторов, алюминиевых блоков автомобильных цилиндров, латунных деталей сантехнической арматуры и др. В этих областях литье под давлением вытесняет литье в кокиль. В настоящее время осваивают литье сталей и чугуна под давлением.
Стоимость пресс-формы в 3…5 раза выше стоимости кокиля, что необходимо учитывать при выборе экономически выгодного в данных условиях способа. Отливки, полученные литьем под давлением, обрабатываются резанием только в тех случаях, когда из-за износа формы не обеспечиваются требуемая точность и шероховатость поверхности, когда не удается получить отдельные "классные" размеры с заданной точностью, когда необходимо калибрование резьбы. При конструировании деталей, предназначенных для литья под давлением, необходимо выполнить следующие требования технологии.
1. Литейные размеры детали и ее масса должны соответствовать размерам и мощности существующих машин для литья под давлением.
2. В конструкции детали должно быть предусмотрено беспрепятственное удаление отливки из формы (отсутствие поднутрений, наличие уклонов, простейший разъем формы и т.д.).
3. Стенки отливки должны быть оптимальными по толщине и равномерными по сечению, сопрягаемые плавными переходами. Толщина стенок не должна превышать 6…8 мм. Оптимальная толщина стенок определяется условиями работы детали и требованиями к ее механическим свойствам. Следует учитывать, что уменьшение толщины стенки приводит к повышению прочностных свойств при некотором уменьшении пластичности. Минимально допустимая толщина стенок зависит от площади поверхности отливки и применяемого сплава.
4. Возможность изготовления отливок с готовыми отверстиями и готовой резьбой. Отверстия малого диаметра (до 2,5 мм) необходимо выполнять сверлением, так как стержни в пресс-формах малого диаметра быстро разрушаются. Отверстия диаметром более 2,5 мм (проходные и глухие) следует выполнять литьем, за исключением тех случаев, когда значительно усложняется форма или не обеспечивается допуск на размеры и расположение отверстий из-за теплового расширения форм. Наружную резьбу рекомендуется получать литьем, так как при этом исключается механическая обработка, а оформление литой резьбы не вызывает затруднений и повышает ее эксплуатационные свойства. Внутреннюю резьбу в отливках получают с помощью резьбовых вставок, которые вывинчиваются из отливки после ее удаления из формы. Вывинчивание резьбовых вставок – трудоемкая операция, поэтому минимальный допустимый диаметр внутренних литых резьб значительно больше, чем наружных.
5. Широко использовать армирование из цветных сплавов втулками, вкладышами и подобными деталями из других материалов. Армирование значительно расширяет возможности получения сложных комбинированных деталей со специальными физико-технологическими свойствами: магнитными, электрическими, тепловыми, прочностными и т.д. Арматура препятствует свободной усадке отливок и способствует образованию трещин, поэтому конструкция ее не должна иметь острых углов, выступов и других источников концентраций напряжений в отливках. Минимально допустимое расстояние от торца отливки до поверхности арматуры должно быть для алюминиевых сплавов – 1…2 мм, для магниевых сплавов – 1…4 мм.
6. Обеспечить жесткость с целью исключения коробления отливки. Жесткость и прочность увеличивается за счет ребер жесткости, толщина которых составляет (0,8…1,0)b (наружные ребра) или (0,6…0,8)b (внутренние ребра), где "b" – толщина сопрягаемых стенок.
Литье под низким давлением.
Сущность и особенности процесса.
Схема литейной установки показана на рис. 9.1. Металлическая или полуметаллическая литейная форма I устанавливается на крышку 2 герметичного тигля 3, находящегося в футерованном кожухе 4, снабженном электронагревателями 5. Для лучшего обогрева плиты кокиля за счет теплоизлучения сплава, находящегося в тигле, в крышке 2 сделано отверстие, а герметичность плиты и крышки обеспечивается прокладкой 8. В плите кокиля закреплен металлопровод 6, немного не доходящий до дна тигля. Рабочий сплав можно заливать в тигель через металлопровод с помощью воронки.
Для получения отливки в тигель, заполненный сплавом, по трубке 7 подается сжатый воздух или инертный газ, который оказывает давление на зеркало сплава, вытесняет сплав по металлопроводу вверх в литниковый коллектор, а затем в полость формы. Воздух из формы удаляется через вентиляционные каналы 10. Под действием увеличивающегося избыточного давления (до 0,01…0,08 мН/м2) сплав кристаллизуется в форме.
Принципиальная схема установки литья под низким давлением.
В отличие от большинства известных способов литья, жидкий металл, находящийся в тигле, металлопроводе и полости литейной формы, в течение всего процесса формирования отливки составляет единую гидравлическую, тепловую и силовую замкнутую систему.
Способ имеет следующие преимущества:
•улучшены условия длительного термостатирования сплава, так как тигель расположен в закрытой теплоизолированной и обогреваемой камере агрегата заливки;
•полностью решена проблема дозирования жидкого металла и его транспортирования в полость литейной формы;
•снижена окисленность жидкого металла и исключена возможность захвата шлака и флюса с зеркала металла;
•имеется возможность управления гидродинамическими параметрами процесса заполнения полости форм расплавом в результате изменения по заданной программе скорости нарастания перепада давлений, что позволяет пре- дельно упростить конструкцию литниково-питающих систем при одновременном улучшении качества заполнения форм жидким металлом;
•повышена плотность литого металла в результате устранения газовой пористости и усадочных дефектов;
•в контактной зоне на 20-30% увеличена скорость затвердевания, благодаря интенсификации теплообмена под действием перепада давлений, что способствует измельчению структуры металла отливки;
•в 1,5-2 раза увеличена производительность благодаря сокращению продолжительности затвердевания отливки и отсутствию затвердевающих прибылей;
•повышение плотности отливки и измельчение структуры литого металла сопровождается ростом его прочностных (на 15…25%), пластических (1,5…2 раза) и эксплуатационных свойств;
•повышена точность размеров и массы отливок на 1…2 класса по сравнению с кокильным литьем, уменьшены в 1,5…2 раза припуски на обработку резанием;
•шероховатость поверхности отливок может быть уменьшена по сравнению с кокильным литьем с Rz = 160…80 до Rz = 40…20 мкм;
•обеспечивается получение отливок с толщиной стенок 1,5…2,0 мм, т.е. толщина стенок отливок в 1,5…2,5 раза меньше, чем при литье в кокиль;
•заполняемость литейных форм возрастает в 1,3…1,5 раза, что обеспечивает возможность получения крупногабаритных отливок при средних толщинах стенки 3…6 мм;
•возможна полная механизация и автоматизация всего технологического цикла;
•тяжелый труд заливщика заменен функциями оператора и наладчика машин;
•снижение на 30…50% потребности в выплавляемом металле улучшает условия труда рабочих и экологическую обстановку в целом.
Технико-экономические показатели процесса.
Значения припусков на обработку резанием занимают промежуточное положение между литьем в кокиль и литьем под давлением. Стоимость литья выбирают по данным базовых предприятий. При отсутствии данных можно воспользоваться промежуточными значениями стоимости кокильного литья и литья под давлением.
Центробежное литье.
Сущность и особенности процесса.
При центробежном литье сплав заливают во вращающиеся формы; формирование отливки осуществляется под действием центробежных сил, что обеспечивает высокую плотность и механические свойства отливок.
Центробежным литьем отливки изготовляют в металлических, песчаных, оболочковых формах и в формах для литья по выплавляемым моделям на центробежных машинах с горизонтальной или вертикальной осью вращения.
Металлические формы изготовляют из чугуна и стали. Толщина формы обычно в 1,5…2 раза больше толщины отливки. В процессе литья формы снаружи охлаждают водой или воздухом. На рабочую поверхность формы наносят теплозащитные покрытия для увеличения срока их службы. Перед работой формы подогревают до температуры 200°С. Применяют три схемы центробежного литья .Первая схема наиболее распространена. По этой схеме получают полые цилиндрические отливки без стержней. Машины с горизонтальной осью вращения применяют для длинных тел вращения: при dl >3; свободная поверхность отливки представляет собой цилиндр. На машинах с вертикальной осью получают короткие тела вращения из-за разностенности по высоте отливки. Свободная поверхность – параболоид. Разностенность тем больше, чем выше отливка. В формах с горизонтальной осью вращения получают: чугунные водопроводные (напорные) трубы диаметром до 300 мм, чугунные канализационные (сливные) трубы диаметром до 1800 мм, гильзы автомобильных и тракторных двигателей из легированного чугуна, стальные заготовки для подшипников качения и др.
Схемы II и III на рис применяют при необходимости существенного повышения плотности отливок или изготовления тонкостенных отливок из сплавов с низкой жидкотекучестью. Таким образом получают гребные винты, отливки из жаропрочных и титановых сплавов.

– Схемы центробежного литья.
Технико-экономические показатели процесса.
Центробежное литье по сравнению с литьем в неподвижные формы имеет следующие преимущества:
1. Отливки имеют плотную структуру.
2. Центробежные отливки в меньшей степени загрязнены неметаллическими включениями (в изломе отливки редко встречаются шлаковый или песчаный засор и газовые раковины).
3. Для образования отверстий в цилиндрических отливках не требуется стержень.
4. Отсутствие во многих случаях литниковой системы увеличивает выход годного до 90…95%.
5. Возможность получения тонкостенных отливок.
6. Производительность труда выше, а условия лучше, чем при литье в разовые формы.
7. Центробежным литьем можно получить двухслойные (биметаллические) отливки.
Центробежное литье имеет и недостатки. Один из них - сложность получения точного размера отверстия в отливке, образованного свободной поверхностью. Это объясняется тем, что диаметр отверстия зависит от количества заливаемого в форму металла. Вторым недостатком является четко выраженная ликвационная неоднородность сплава по сечению отливки. При заливке, например, свинцовой бронзы, расплав которой представляет эмульсию, во вращающейся форме свинец центробежными силами отбрасывается к периферии, а медь, как более легкая, вытесняется к свободной поверхности. Ликвация может таким образом проявиться настолько сильно, что внутренняя часть отливки окажется медной.Точность отливок и шероховатость поверхности отливок, а, следовательно, и припуски на обработку резанием зависят от того, в какие формы (нефутерованные или футерованные) производится заливка, и соответствует литью в кокиль либо литью в песчаные формы.По стоимости центробежные отливки приближаются к кокильному литью и литью в песчаные формы.
Раздел 3. Литьё с направле нной кристаллизацией. Способы получения отливок с направленной структурой. Виды дефектов, меры по предотвращению их образования. Особенности структуры и свойств отливок.
Начиная с середины семидесятых годов для повышения эксплуатационных свойств изделий и, прежде всего, рабочих лопаток ГТД из жаропрочных сплавов стали применять метод литья с направленной кристаллизацией. Сущность его заключается в том, что расплав заливается в специальную, нагретую до температуры ликвидуса сплава форму, в которой обеспечивается односторонний теплоотвод, что позволяет получить отливку с вытянутыми столбчатыми зернами или же даже монокристаллитную, состоящую из одного зерна.
При изготовлении рабочих лопаток стремятся к тому, чтобы кристаллы затвердевшего металла были ориентированы вдоль оси лопатки , то есть вдоль направления действующих центробежных сил, что повышает жаропрочность, пластичность, усталостную прочность, а также ударную вязкость в указанном направлении, прежде всего, за счет устранения границ зерен перпендикулярных оси главных напряжений и снижения количества усадочных дефектов в отливке.

Рис. Отливки, полученные методом литья с направленной кристаллизацией
Совершенно очевидно, что столбчатую и тем более монокристаллитную структуру целесообразно иметь только в таких отливках, для которых это экономически целесообразно, так как затраты на их производство возрастают в несколько раз, по сравнению со способом литья по выплавляемым моделям. Способы литья с направленной кристаллизацией отличаются:
-по направлению кристаллизации расплава: сверху или снизу;
-по способу отвода теплоты от отливки: водоохлаждаемый кристаллизатор, обдув отливки воздухом, погружение в расплав легкоплавкого металла или соли;
-по конструкции формы: с непосредственным контактом расплава с поверхностью кристаллизатора или с охлаждением через форму;
-по способу заполнения полости формы расплавом: обычная заливка или погружение формы в расплав;
-по способу управления процессом кристаллизации: регулирование нагрева формы, изменение скорости вытягивания формы из зоны действия печи подогрева, воздействие электрическим током на жидкий металл и т.д.
Схемы процесса направленной кристаллизации
Направленная кристаллизация за счет снижения мощности нагревателя. Данный метод был разработан в США, и с его помощью были получены первые турбинные лопатки. Литейная форма 1, рассчитанная на получение сразу нескольких отливок, устанавливается в нагревателе 2 на водоохлаждаемой плите холодильника 3 и закрепляется на нем с помощью специального приспособления 4. Так как форма для увеличения теплоотвода от металла изготавливается с открытым дном, то держатели обеспечиваютее плотный контакт с холодильником, препятствуя вытеканию расплава по разъему. После вакуумирования рабочего объема установки включается нагреватель, имеющий две отдельно управляемые секции, и литейная форма разогревается до температуры на 100 - 150оС выше ликвидуса сплава. В это время в порционной печи готовится расплав. Режим заливки подбирается таким образом, чтобы расплав в момент заполнения формы имел близкую с ней температуру. Сразу после заливки нижняя секция нагревателя выключается, а на верхней начинается плавное снижение мощности. Температура формы при нагреве и в процессе направленной кристаллизации контролируется с помощью термопар 5, установленных на разных уровнях формы.

Схема теплового узла для направленнойкристаллизации путем снижения мощности
При непосредственном контакте расплава с водоохлаждаемым медным холодильником происходит интенсивное охлаждение тонкого слоя металла. В результате этого в нем образуется мелкая равноосная структура, из которой затем в результате конкурентного роста происходит оттеснение тех зерен, ориентация которых удалена от кристаллографического направления [001],и формируется столбчатая структура направленных зерен 1 - 5 мм в поперечнике. Формирование такой структуры проводится в отдельной стартовой полости, расположенной в нижней части формы, а затем текстурированная структура прорастает в полость отливки. Таким образом, процесс направленной кристаллизации происходит в два этапа: образование столбчатой структуры и ее частичный рост под непосредственным воздействием холодильника и рост столбчатых зерен за счет снижения мощности верхней секции нагревателя.
Преимуществом этого способа получения отливок являются простота конструкции установки и отсутствие в тепловом узле каких-либо движущихся деталей.
Экзотермический способ направленной кристаллизации. Схема конструкции изложницы для направленной кристаллизации представлена на рис. Вокруг литейной формы 1 создается прослойка из экзотермической смеси 2, причем толщина этой прослойки увеличивается от основания формы к ее верхней части. Экзотермическая смесь накрыта слоем керамики 3,который является тепловым экраном. Литейная форма без дна устанавливается на водоохлаждаемый кристаллизатор 4. Для предотвращения излишнего охлаждения расплава после заливки в прибыльной части формы на открытую поверхность металла дополнительно насыпается теплоизолирующая засыпка 5. Поскольку толщина экзотермической прослойки к прибыльной части слитка увеличивается, то в соответствии с этим время горения и количество тепла, отдаваемое расплаву, будет возрастать по высоте отливки. Иначе говоря, по высоте отливки создается аксиальный температурный градиент, в котором и происходит направленная кристаллизация.


.Схема изложницы для направленной кристаллизации с применением экзотермической смеси
Основным преимуществом данного метода является его простота и низкая стоимость установки.
Основным недостатком рассмотренных выше методов является то, что они не обеспечивают надежного формирования направленной структуры прежде всего из-за низких скоростей роста и температурных градиентов на фронте кристаллизации. Теплоотвод осуществляется преимущественно от холодильника, и по мере увеличения длины закристаллизовавшейся части слитка скорость роста замедляется.Направленная кристаллизация путем вытягивания формы из нагревателя. Данный метод является в настоящее время основным для получения отливок с направленной и монокристаллитной структурами. На рис. представлена схема установки для осуществления направленной кристаллизации этим методом. Литейная форма 1 помещается в нагреватель установки на медном водоохлаждаемом кристаллизаторе 3 и закрепляется на нем специальным креплением 4. Необходимо отметить, что существуют две разновидности этого метода: в первом случае используется форма без дна, то есть осуществляется непосредственный контакт металла с холодильником, во втором случае форма имеет дно, что практически предотвращает возможность ухода металла по разъему, но и кристаллизация происходит при охлаждении через форму.

Рис. Схема установки для направленной кристаллизации методом вытягивания из нагревателя
Литейная форма разогревается в вакууме глубиной 0,133 Па до температуры на 100 - 150оС выше ликвидуса сплава, после чего из порционной печи происходит заливка сплава. Вначале кристаллизация происходит или на холодильнике или на нижней поверхности формы, а в дальнейшем осуществляется радиационный теплоотвод от стенок формы, которая с помощью механизма 6 постепенно вытягивается из нагревателя вместе с холодильником. Для разделения зоны нагрева и охлаждения служит тепловой экран 5, расположенный у нижнего среза нагревателя.
При кристаллизации расплава в форме без дна структура отливки получается состоящей из большого числа вытянутых столбчатых зерен диаметром 1 - 5 мм, образующихся в результате жесткого конкурентного отбора в нижней стартовой зоне формы.
Второй способ проще, безопаснее, однако затвердевание отливки происходит при этом значительно медленнее, так как теплоотвод осуществляется через слой керамики и зазор, возникающий между неровной поверхностью формы и кристаллизатором. Важно отметить, что величина зазора зависит от многих факторов, и учесть ее изменение при выборе скорости кристаллизации бывает очень трудно. Из-за малого температурного градиента невозможно глубокое переохлаждение тонкой придонной части расплава, в результате на нижней поверхности формы образуется несколько крупных зерен (от 1 до 10 на 1 см2). Эти зерна также имеют произвольную ориентировку, и между ними в процессе роста происходит конкурентный отбор. Однако подавление "Лидером" более слабого конкурента требует в данном случае немалого времени, так как ему необходимо перекрыть вторичными ветвями детритов значительную поверхность фронта кристаллизации. Поэтому достаточно часто сильно разориентированные (до 30 о и более) зерна сосуществуют по всей длине отливки, или наблюдается вытеснение одного зерна другим на значительном расстоянии от основания. В этом случае межзеренная граница выходит на боковую кромку отливки. При наличии крупных зерен их количество и ориентация в партии отливок чрезвычайно разнообразны. Отрицательное влияние такой структуры будет проявляться при эксплуатации изделия в условиях термосмен, когда на границах зерен из-за анизотропии свойств будут достаточно быстро появляться трещины, приводящие к его разрушению.
При направленной кристаллизации важное значение имеет строгое разделение зон нагрева и охлаждения. В реальных условиях этого добиться весьма трудно, так как тепловое излучение от нагревателя всегда попадает на кристаллизующуюся часть слитка, что вызывает понижение аксиального градиента температур. Для разделения зон нагрева и охлаждения применяют различного рода тепловые экраны, устанавливаемые на нижнем срезе нагревателя. В некоторых случаях экран-диафрагма представляет собой молибденовую пластину толщиной 20-30 мм. Широкое распространение получили пустотелые коробчатые экраны из графита, заполненные графитовым войлоком, а также водоохлаждаемые экраны в виде кольца. Однако при кристаллизации отливок сложной формы, например лопаток турбины ГТД, трудно добиться эффективного разделения зон нагрева и охлаждения, так как сечение и конфигурация экрана остаются постоянным, а сечение и конфигурация отливок изменяются по высоте.
Направленная кристаллизация с охлаждением в расплавленном теплоносителе (высокоскоростная направленная кристаллизация). В предыдущем способе получения отливок отвод теплоты от затвердевшей отливки осуществляется за счет теплопроводности через кристаллизатор и излучением от наружной поверхности, вышедшей из нагревателя формы на холодные стенки камеры печи. С увеличением высоты закристаллизовавшейся части слитка тепловое сопротивление повышается, и теплосъем холодильником уменьшается, таким образом, примерно на высоте 70 мм от поверхности кристаллизатора отливка будет охлаждаться исключительно излучением в ваккуум с боковой поверхности формы.
Теплоотдачу с поверхности можно интенсифицировать, погружая форму в расплав теплоносителя, в качестве которого обычно используются металлические расплавы, позволяющие получать значения коэффициента теплоотдачи до 100000 Вт/(м2К) вместо 100 Вт/(м2К) при теплоотдаче излучением.
Схема установки для направленной кристаллизации с охлаждением в расплавленном теплоносителе представлена на рис. В нагревателе 1 на подвижной подставке 4 установлена литейная форма 3. После нагрева формы до требуемой температуры и заливки металла процесс направленной кристаллизации осуществляется погружением формы в расплавленный теплоноситель 2. Для исключения перегрева жидкометаллического теплоносителя в верхней части ванны установлен кольцевой водоохлаждаемый холодильник 5, а в основании ванны - нагреватель для предварительного расплавления теплоносителя.

Рис. Схема установки для направленной кристаллизации с охлаждением в расплаве теплоносителя
Применяемые вкачестве жидкометаллического теплоносителя расплавы металлов должны иметь:
- низкую температуру плавления;
- низкое давление паров в вакууме при температуре контакта с формой и высокую температуру кипения;
- высокую теплопроводность и теплоемкость;
- инертность к материалу ванны, формы и жаропрочному сплаву при случайном попадании его в ванную с теплоносителем.
Этим требованиям в наибольшей степени отвечают олово и алюминий. Олово обеспечивает получение более высоких температурных градиентов, вследствие низкой температуры плавления, однако это достаточно дорогой металл. Алюминий более дешевый, безвредный для сплавов типа ЖС металл, однако он обладает высокой активностью и для него трудно подобрать материал для ванны, а также ввиду более высокой температуры плавления он позволяет получить меньшие температурные градиенты, а, следовательно, и скорости кристаллизации.
Известны также конструкции установок, где охлаждение формы происходит в псевдокипящем слое порошковой керамики, например двуокиси алюминия, создаваемого потоком инертного газа аргона.
Направленная кристаллизация с охлаждением сверху. Основной недостаток, присущий методу направленной кристаллизации при непосредственном контакте расплава с кристаллизатором, вероятность ухода металла по разъему формы можно устранить при использовании затвердевания сверху. На рис. показана схема такой установки. Оболочковая форма 3, находящаяся в печи 4, прокаливается до температуры выше ликвидуса сплава и заливается сплавом. Кристаллизатор 2 подводится к верхней части формы, которая начинает вытягиваться вверх. Питание отливки происходит от стояка, который кристаллизуется позднее благодаря наличию специального устройства для подогрева 1.

Рис. Схема установки для получения отливок с кристаллизацией сверху
Направленная кристаллизация при вытягивании формы из расплава. На рис. изображена схема установки для направленной кристаллизации путем погружения формы 2 в расплав 1.
Заполнение формы при таком способе литья происходит через специальный питатель, находящийся в нижней части. В момент касания жидкого металла с кристаллизатором 3, подводимым к верхней части формы, начинается ее вытягивание вверх из тигля 4 с расплавом жаропрочного сплава с помощью специального устройства 5.
Кристаллизация идет сверху вниз. К преимуществам данного способа литья относится его простота, очень высокий, до 95% коэффициент использования металла за счет значительного сокращения массы литниково-питающей системы, высокая производительность и низкая энергоемкость установки, вследствие отсутствия печи подогрева формы (ее роль выполняет сам расплав). Основным недостатком данного способа литья является загрязнение жаропрочного сплава, находящегося в тигле, примесями при его взаимодействии с поверхностью формы.

Рис. Схема установки для получения отливок вытягиванием из расплава
Раздел 3. Монокристаллическое литьё. Способы получения отливок с монокристаллической структурой. Виды дефектов, меры по предотвращению их образования. Особенности структуры и свойств отливок.
Монокристаллитные отливки из никелевых жаропрочных сплавов получают в основном методом направленной кристаллизации (способ Бриджмена-Стокбаргера). Тигель или литейная форма с предварительно залитым расплавом постепенно перемещается в температурном поле нагревателя из горячей зоны в зону охлаждения. Граница, на которой происходит фазовый переход расплав-кристалл, называется фронтом кристаллизации. Основными параметрами, характеризующими процесс направленной кристаллизации, являются осевой температурный градиент на фронте кристаллизации Gz и скорость перемещения фронта кристаллизации R.
Отношение величин Gz/R определяет тип формирующейся структуры монокристалла: структура с микроскопически плоским фронтом роста, ячеистая, дендритная, ячеисто-дендритная. Последний тип структуры наиболее характерен для отливок из жаропрочных никелевых сплавов, получаемых на промышленных установках. Произведение величин Gz на R определяет дисперсность всех структурных составляющих сплава, которая возрастает с увеличением этой величины.
Оптимальные условия для получения монокристаллитной отливки создаются в том случае, когда в установке обеспечиваются:
- плоский фронт кристаллизации в макроскопическом масштабе;
- сохранение положения фронта кристаллизации относительно нагревателя неизменным для всего процесса.
Выполнение этих требований достигается, если Gz > GR, где GR -радиальные температурные градиенты, а скорость перемещения фронта кристаллизации R равна скорости вытягивания формы W из нагревателя, то есть W = R.
В мировой практике существуют две промышленные технологии получения монокристаллитных лопаток для газотурбинных двигателей, отличающиеся друг от друга способом зарождения монокристаллитной структуры.
1. Технология, разработанная американской фирмой Pratt and Whitney,которая основана на конкурентном росте столбчатых зерен, при котором монокристаллитная структура лопатки формируется от одного столбчатого зерна ориентации [001], выбранного из множества зародившихся на холодильнике зерен с помощью кристаллоотборника специальной конструкции. Такая технология позволяет получать отливки только с аксиальной ориентацией близкой к [001], и произвольной азимутальной ориентацией, т.е. кристаллографическая ориентация в поперечном направлении не может быть регламентирована.
2. Технология, разработанная ВИАМ, основанная на том, что монокристаллитная структура передается по телу лопатки от специально подготовленной затравки практически любой требуемой аксиальной ориентации, при этом азимутальная ориентация может быть задана в пределах, допустимых законами кристаллографии.
Получение монокристаллов на основе конкурентного роста столбчатых зерен. Данный способ получения отливок с заданной структурой включает в себя следующие основные этапы:
- получение на стартовом участке формы направленной структуры, состоящей из множества столбчатых зерен с произвольной ориентацией;
- конкурентный рост столбчатых зерен в кристаллоотборнике и вытеснение тех из них, ориентация которых наиболее удалена от предпочтительного направления роста, которое для сплавов с ГЦК решеткой совпадает с направлением [001]. Основная сложность решения задачи на этой стадии состоит в том, чтобы выделить и подвести к отливке только одно зерно;
- формирование структуры самой отливки.
Наибольшее распространение в промышленности для изготовления отливок с монокристаллитной структурой получили кристаллотборники двух конструкций: "прямой угол" и "геликоид"
В первом случае перегретый металл заливают в оболочковую форму без дна, которая устанавливается на медном водоохлаждаемом кристаллизаторе. В результате интенсивного охлаждения расплава в стартере 1 зарождается множество мелких равноосных зерен, которые начинают расти в условиях направленного теплоотвода и приобретают столбчатую морфологию. Так как наиболее благоприятной для роста столбчатых зерен является ориентация [001], то те дендриты, которые имели такую ориентацию имеют несколько повышенную температуру вершин и поэтому опережают по темпам роста соседние дедриты и, по мере роста, они будут постепенно вторгаться на "территорию своих соседей" и вытеснять их.
Сформированная в стартере 1 мелкостолбчатая структура с аксиальной текстурой [001] прорастает в систему литниковых ходов 2, 3, 4, где и осуществляется отбор одного зерна. Этот процесс начинается в вертикальном направлении в литниковом ходе 2, а затем - в горизонтальной плоскости в двух направлениях, при этом в ходах 3 и 4 происходит конкурентный отбор зерен в азимутальной плоскости. Так как здесь наибольшее развитие получают те зерна, аксиальная ориентация [001] которых ближе всего к вектору температурного градиента, а азимутальная ориентация [100] наиболее близка к направлению проекции оси наклонного литникового хода на поперечную плоскость. В таких кристаллах дендритные оси первого и второго порядков активней прорастают в расплав. таким образом, происходит выклинивание как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. При правильном проведении процесса в лопатку 5 прорастает только один кристалл с аксиальной ориентацией [001] и произвольной азимутальной ориентацией.

Рис.. Схема конструкции литниковой системы с кристаллосборником "прямой угол"
Методом конкурентного роста принципиально можно получить дважды ориентированные монокристаллитные отливки. Это достигается созданием дополнительного радиального холодильника, за счет которого происходит конкурентный рост между пластинчатыми кристаллами. Два варианта таких устройств представлены на рис.
б
а

Рис. Схемы конструкции радиальных холодильников дляполучения дважды ориентированных монокристаллитных лопаток
Высокую надежность изготовления отливок с заданной кристаллографической ориентацией показал способ литья, предложенный П.В.Лебедевым и представленный на рис. Донная часть формы выполнена так же, как и в предыдущем способе литья, однако вместо наклонного канала используется горизонтальная керамическая пластинка с отверстием малого диаметра. В результате конкурентного отбора через это отверстие в полость формы попадает только одно зерно, которое и продолжает свой рост, обеспечивая получение монокристаллитной отливки.

Рис. Схема устройства для получения монокристаллитных отливок
Используемый в промышленности для получения отливок с монокристаллитной структурой кристаллосборник в форме спирали или геликоида представляет собой видоизмененный кристаллосборник, представленный на рис. Существуют различные конструкции и технологии изготовления таких геликоидов. По одной из них для формирования такого кристаллосборника используются металлические спиральные вставки, покрытые модельной массой. После ее удаления при вытопке блока эти вставки вывинчиваются из формы и используются повторно. Опытным путем были установлены основные размеры геликоидов: угол подъема спирали 12 - 16о, диаметр 10 - 15 мм, число витков 1 - 5, толщина керамики на витках 6,5 - 7,5 мм, отношение шага спирали к ее толщине 1,2 - 1;4.

Рис. Схема геликоида для получения монокристаллитных
лопаток: 1 - стартер, 2 - лопатка, 3 - геликоид
Методы получения монокристаллов с использованием затравок более трудоемки, так как требуют отдельной технологии получения совершенных по структуре затравок, однако позволяют получать отливки с заданной как аксиальной, так и азимутальной ориентацией с ошибкой не более 2о. На рис. приведена схема литейной формы для получения отливок вышеуказанным методом. Литейная форма 1 без дна установлена на водоохлаждаемом кристаллизаторе 2, в котором выполнено специальное углубление для установки затравки 3 цилиндрической формы. Над затравкой имеется диафрагма 4, сообщающаяся с конусом 5. При разливке расплава торец затравки подплавляется, и монокристаллическая структура передается изделию. При этом рост кристаллов происходит от затравки и поверхности холодильника. Однако кристалл, растущий от затравки, входит в диафрагму 4, а остальные кристаллы отсекаются. Для повышения надежности передачи структуры от затравки последнюю иногда заключают в керамическую оболочку 6, а на поверхность холодильника укладывают керамическую пластинку 7.
Этим достигается преимущественный контакт торца затравки с расплавом и несколько замедляется скорость роста кристалла от холодильника.

Рис. Схема литейной формы для получения отливки от затравки
Промышленные установки для получения отливок с монокристаллитной структурой в России были разработаны ВИАМ и МАТИ и базировались на способе, разработанном Д.А.Петровым и А.Т.Тумановым. В основании керамической цилиндрической формы формируется стартовый козырек в форме усеченного конуса . При подводе кристаллизатора к основанию конуса наибольшее переохлаждение расплава происходит в тонких кромках конусного козырька в точке А. В дальнейшем монокристаллический зародыш, возникший в точке А, растет по наиболее переохлажденным участкам расплава в кромке стартового козырька и обегает его. Одновременно с этим монокристальная структура распространяется по дну конусного козырька от периферии к центру. Точка А, таким образом, является местом зарождения монокристаллического зародыша произвольной ориентации. Для получения отливки с заданной ориентацией необходимо в точку А подвести соответствующую затравку. Надежная передача структуры от затравки к изделию осуществляется только в том случае, когда верхний торец ее полностью расплавлен, а остальная часть остается твердой, то есть в затравке должен быть создан осевой температурный градиент.

Рис. Конфигурации стартовых козырьков
В настоящее время получение монокристаллитных отливок, типа "Лопатка", осуществляется в России на промышленных установках УВНК-8П и 1ИСВ-0,01-НФ. На рис. представлена схема теплового узла и блока литейной формы для получения отливок на установке высокоскоростной направленной кристаллизации. Каждая лопатка 1 получается от одной затравки 2, а подвод структуры от затравки к лопатке осуществляется в конусной полости 3 от пера к замку.
В печи подогрева форм УВНК-8П установлены два графитовых нагревателя сопротивления: верхний нагреватель 4 служит для разогрева блока форм, нижний нагреватель 5 меньшего размера расположен непосредственно над емкостью с расплавленным алюминием и формирует тепловые условия в зоне фронта кристаллизации. Под нагревателем 5 установлен тепловой экран 7, который предотвращает перегрев алюминия, отсекая тепловое излучение из печи подогрева форм.


Рис. Схема теплового узла и блока литейных форм дляполучения монокристаллитных лопаток в печи УВНК-8П
Таким образом, процесс кристаллизации в печи УВНК-8П состоит из двух этапов: 1) начало кристаллизации и рост в конусе за счет радиационного теплоотвода от поверхности формы; 2) кристаллизация собственно отливки в жидкометаллическом охладителе за счет теплопроводности и конвективной теплоотдачи.
Схема получения отливки "Лопатка рабочая" на установке 1ИСВ-0,01-НФ приведена на рис. Отливку проводят блоками из четырех лопаток, на замковых частях которых были изготовлены стартовые козырьки, соприкасающиеся в одной точке-месте установки затравки. Однако эксплуатация этой печи периодического действия показала, что она не удовлетворяет потребности серийного производства из-за низкой производительности.
Использование печи ПМП-2 проходного типа долгое время было сопряжено с большими трудностями из-за того, что формы в этой установке разогреваются выше температуры ликвидуса сплава, а установка специальных холодильников для затравок была сопряжена со значительными сложностями. Проблема была решена при использовании затравок из более тугоплавких сплавов.

Рис. Схема получения монокристаллитных
лопаток в печи 1ИСВ-0,01-НФ

Приложенные файлы

  • docx 5613043
    Размер файла: 7 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий