УДК 699.09 (Караганды, КарГТУ)
(Караганды, КарГТУ)
Применение криотехнологии для получения металлоотливок в песчаных формах
Исследование экологически безвредных способов литья привел к опыту по применению льда для изготовления разовых литейных моделей. Посредством этого изо льда изготавливается модель металлоотливки, полость модели заполняется формовочным песком с добавками гипса, цемента и т. п., лед, растаяв, фильтруется в песок и упрочняет его, далее в песчаную форму заливается металл, который после охлаждения образует отливку. Непосредственно в литейных цехах по традиционным технологиям для таких моделей используют органические материалы как пенопласт восковые и парафино-стеариновые смеси.
Использование криотехнологии для получения металлоотливок в песчаных формах позволяет создать безотходные и малоотходные процессы, в которых удаление органических материалов из технологии формовки предотвращает загрязнение окружающей среды, а высокие нормы ресурсосбережения достигаются повторным использованием формовочных материалов.
Важная проблема разработки технологии для промышленного применения была связана с ответом на вопрос, как вокруг разупрочняющейся тающей модели упрочнить сыпучую формовочную смесь с качественной стабильной поверхностью полости формы. Причем сначала или практически одновременно одно твердое тело разрушается, а другое сыпучее упрочняется в результате фильтрации продуктов разрушения первого и запуска механизма химического твердения второго.
Изначально было исследовано формование при вакуумировании формы. В этих технологиях песок формы упрочняется перепадом газового давления на поверхности полости формы, когда в полости – давление газа близкое к атмосферному или залитый металл, а в толще песка (порах песчаной среды) - разрежение. Оснастку для производства ледяных моделей и формовки использовали, заимствовав ее от литья по газифицируемым моделям (ЛГМ)-процесса. Модели получали замораживанием воды или водной композиции в алюминиевых пресс-формах или резиновых формах, охлаждая их в морозильной камере до температуры -20-18 0С.
Самым перспективным оказался способ упрочнения оболочковой формы путем образования адгезионно-когезионного комплекса с использованием явления капиллярного транспорта. Этому предшествовали исследования по созданию способов нанесения порошковых противопригарных красок на поверхность ледяной модели. Применение такого вида сухого покрытия основывалось на том, что при температуре близкой к точке плавления льда его поверхность является квазижидкостью с хаотичным расположением молекул воды в квазижидком слое, но одновременно с упорядоченной (по сравнению с кристаллом) ориентацией диполей в поверхностном слое льда. Такая ориентация диполей создает на поверхности льда электрический заряд, который способен удерживать на ледяных моделях слой насыпаемой на них порошковой краски толщиной 0,5-0,8 мм.
Слой покрытия на поверхности ледяной модели утолщали до песчаной оболочки двух - или трех-кратным нанесением порошковых материалов. При 200С воздух с влажностью 30%, 60% и 90% имеет соответственно точку росы (0С) 1,9; 12,0; 18,3. Такой разделительный тонкий слой влаги или инея давал возможность получать оболочку толщиной до 2-4 мм. В качестве порошковых покрытий наносили сухие смеси, состоящие в различных пропорциях из мелких фракций формовочного песка, порошков маршаллита, дистен-силлиманита.
Таким образом, за счет использования такого свойства льда как электрозаряд на его поверхности, наносят на модель первый сухой формовочный слой, а затем последовательно следующие слои с частичным упрочнением их путем увлажнения конденсированием от действия холода, передающегося от ледяной модели. Это создает достаточную прочную оболочку на модели для удержания стабильной стенки полости формы. Создание способов получения оболочковых форм с порошковой облицовкой (покрытием) вокруг разовой ледяной модели исключает или сводит к минимуму использование органических полимеров и заменяет пенопластовые или выплавляемые парафино-стеариновые модели.
Преимущества процесса литья по ледяным моделям (ЛЛМ):
1. Экологическая безопасность по сравнению с литьем по разовым моделям из органических материалов, при котором потери (в основном горение в помещении цеха) модельного материала за цикл обычно составляют 10-100%.
2. Дешевизна получения ледяных изделий при современном уровне развития холодильной техники. Обычно на производство 1 т льда расход электроэнергии составляет до 100 кВт?ч. Замораживание ледяных моделей на 1 т отливок массой 1 кг из железоуглеродистых сплавов требует до 50 кВт?ч электроэнергии. Почти 5-кратное снижение суммарных затрат на материалы и энергию при получении форм под заливку при переходе от ЛГМ к ЛЛМ благодаря низкой стоимости модельных материалов, состоящих из воды примерно на 95% . [1].
3. Уменьшение длительности и трудоемкости изготовления оболочковой формы из одного слоя толщиной 4-15 мм по сравнению с такими же показателями при получении многослойных оболочек при традиционном литье по выплавляемым моделям. Отрабатываемый процесс формовки имеет следующую длительность основных операций: засыпка и уплотнение сухой песчаной смеси в форме с моделью, герметизация пленкой и подключение к вакуум-насосу 3-8 мин., таяние модели в форме с фильтрацией ее жидкости, отверждением оболочки и удалением избытка жидкости из полости 10-20 мин. Затем форму направляют на заливку при вакуумировании формы, либо на подсушку и заливку
4. Благодаря низкой вязкости водной композиции по сравнению с воскообразными составами ледяная модель имеет четкий отпечаток от пресс-формы, чему способствует расширение воды при замораживании, практически отсутствует традиционная усадка твердой модели. Высокая прочность льда по сравнению с традиционными органическими материалами.
5. Затвердение оболочек в объеме уплотненного вибрацией и вакуумом песка вокруг модели повышает точность, стабильность размеров, качество поверхности отливки и трещиноустойчивость, в отличие от традиционных оболочек, твердеющих послойно, что вызывает напряжения, и также подтверждено [2].
6. Наличие методов послойного 3D-намораживания ледяных моделей (Rapid Freeze Prototyping) и 3D-деформирования моделей из порошкового льда на станках с ЧПУ позволит автоматизировать процесс их производства.
Данная технология развивается в институте ФТИМС НАН Украины, в России, и также изучается в Европе. И если бы она развивалась и в нашей стране, то это принесло бы огромную пользу в плане экологичности производства.
Список литературы
1. , Сравнительный расчет экономических затрат на изготовление песчаных форм по газифицируемым и ледяным моделям в литейном производстве // Экологический вестник России. - М. - 2011. - №10. - С. 42 - 47.
2. , Электроимпульсно-фильтрационные технологии изготовления лит. стержней и форм//Вестник ЮУрГУ.-2007.-№13.-С. 39-42.
3. , и др. Фильтрационное формообразование гелеобразующих систем в точном литье // Литейное производство. - 1997. - №4. - С. 34.
