Литье по выплавляемым моделям

ред. Шкленника Я.И., Озерова В.А.

Машиностроение, 1984 г.

Качество отливок характеризуют точностью размеров, шероховатостью поверхности, структурой, механическими и физическими свойствами металла, а также наличием или отсутствием в отливках внутренних и наружных дефектов (например, раковин, засоров, трещин).

Технология получения отливок существенно влияет на их качество и, как следствие, определяет принципы, которыми следует руководствоваться при конструировании. Преимущества способа могут быть реализованы, если отливки технологичны для изготовления литьем по выплавляемым моделям.

Технологична такая конструкция литой детали, при которой можно изготовить отливку, отвечающую требованиям, предъявляемым к точности, шероховатости поверхности, физико-механическим свойствам и структуре металла при наименьших затратах на производство. При этом учитывают издержки производства при изготовлении отливки и последующей ее механической обработке.

Часто на литье по выплавляемым моделям переводят детали, изготовлявшиеся ранее из поковок, штампованных заготовок или проката. Эти детали могут иметь большие непрерывные плоскости, местные утолщения, не вызываемые условиями их службы, жесткие допуски на размеры, без особого труда получаемые механической обработкой, но трудно выполняемые в отливках. Поэтому при переводе на изготовление детали литьем по выплавляемым моделям необходимо изменять конструкцию ее с учетом специфики этого способа, особенно когда в одной отливке объединяют ряд деталей, соединявшихся ранее в узел сваркой, пайкой или механическим креплением.

При переходе от штампованных или кованых заготовок на отливки по выплавляемым моделям следует учитывать также особенности литого металла, механические свойства которого, как правило, ниже, чем металла обработанного давлением. Для получения литых деталей, равнопрочных с деталями, обработанными давлением, рекомендуют заменять марку сплава, например применять для литой детали низколегированную сталь вместо обычной углеродистой, из которой изготовляли поковки.

2.4. СТАЛИ И СПЛАВЫ ОСОБОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В связи с развитием производства газотурбинных двигателей, паровых турбин с высокими параметрами пара, различных электрических машин и химического машиностроения за последние, годы все большее применение находят отливки по выплавляемым моделям из сталей и сплавов особого назначения (табл. 2.4, 2.5). К ним относят коррозионно-стойкие стали, жаростойкие, жаропрочные и износостойкие стали и сплавы, nbsp;а также магнитные сплавы.

Коррозионно-стойкие (кислотостойкие) стали характеризуются высокой стойкостью к воздействию кислот и других реагентов. К ним относятся хромистые и хромоникелевые стали с относительно большим содержанием хрома и никеля. Коррозионная стойкость этих сталей тем выше, чем больше они содержат хрома и однороднее их структура. Присадка небольшого количества титана, молибдена, меди повышает коррозионную стойкость этих сталей.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы характеризуются высокой химической стойкостью к окислению при высокой температуре [17]. Сопротивление окислению при высоких температурах зависит от химического состава сталей и сплавов, стойкости образующихся на их поверхности окисных пленок и состава газовой среды, в которой происходит окисление. Жаростойкие стали и сплавы близки по основным составляющим к коррозионно-стойким сталям, но содержат большее количество легирующих элементов и имеют более сложный фазовый состав. С увеличением содержания хрома повышается окалиностойкость сталей.

Стали, содержащие 10—13 % Сг, имеют хорошую жаростойкость до температуры 750 °С; содержащие 15—18 % Сг — до 900 С°; содержащие 22—25 % Сг — до 1100 °С. Присадка к хромистым и хромоникелевым сталям и сплавам алюминия, кремния и небольшого количества титана, ниобия, бериллия, еще больше повышает жаростойкость. Повышению жаростойкости способствует образование на поверхности металлов и сплавов тугоплавких, плотных окисных пленок в результате соединения хрома, никеля, алюминия, кремния с кислородом. Эти пленки плотно прикрывают поверхность сплава и препятствуют двусторонней диффузии атомов кислорода и металла (см. табл. 2.4).

Жаропрочные стали и сплавы (см, табл. 2.5) отличаются свойством противостоять пластической деформации под воздействием напряжений при высокой температуре [99].

На жаропрочность большое влияние оказывает природа твердого раствора основы сплава, ее температура плавления и тип кристаллической решетки. Чем выше температура плавления основы, тем выше жаропрочность сплава. сплавы аустенитного типа на основе железа с гранецентрированной решеткой имеют большую жаропрочность, чем сплавы феррнтного типа с объемноцентрированной решеткой.

Повышению жаропрочных и других свойств сталей и сплавов способствует также легирование. Наибольший эффект достигается при одновременном легировании многими элементами. Введение таких элементов, как алюминий, титан, вольфрам, молибден, ниобий, бор, сильно увеличивает Сопротивление сплавов пластической деформации при высоких температурах вследствие образования высокодисперсных интерметаллидных фаз и блокировки плоскостей скольжения при выделении этих фаз из твердого раствора. Кроме того, присутствие этих элементов в твердом растворе задерживает диффузионные процессы, и сплав при высоких температурах не разупрочняется.

При введении большого количества легирующих элементов в сплавы наряду с повышением их жаропрочности снижается пластичность и ухудшается их ковкость. Поэтому наиболее жаропрочны литые сложнолегированные сплавы с гетерогенной структурой. Так как такие сплавы имеют высокую твердость, вязкость и трудно обрабатываются, применение литья по выплавляемым моделям является более целесообразным методом для изготовления деталей сложной формы, например лопаток турбин и соплового венца, крыльчаток, рабочих колес и лопаток турбокомпрессоров.

Свойства жаропрочных сплавов зависят от чистоты шихтовых материалов, применяемых при плавке, и методов рафинирования. "Сера из шихты, при повышенном ее содержании, вступая в соединение с никелем, образует легкоплавкую эвтектику (температура плавления 645 °С), которая располагается по границам зерен, в результате чего снижается жаропрочность сплава. Еще в большей степени снижаются жаропрочные свойства сплавов при загрязнении их легкоплавкими примесями (висмут, свинец, сурьма и др.), попадающими из шихты. Поэтому шихту тщательно проверяют, а расплав в процессе плавки рафинируют [36, 87].

Жаропрочность крупнозернистых сталей и сплавов более высокая, чем мелкозернистых. Для литых деталей из жаропрочных сплавов характерна крупнозернистость.

Сплавы принято считать жаростойкими, если при данной температуре за 100 ч испытаний в воздушной среде увеличение массы образцов вследствие образования окалины не превышает 1 г/см3 в 1 ч. сплавы считают жаропрочными, если при данной температуре за заданный срок испытаний они сохраняют требуемый уровень прочности. Жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы большей частью обладают также термостойкостью, т. е. стойкостью к воздействию нагрузки в условиях частой смены температур (нагрев — охлаждение).

Магнитными называют сплавы, обладающие магнитными свойствами: магнитной проницаемостью и восприимчивостью, остаточной индукцией и коэрцитивной силой. Магнитная проницаемость характеризует свойство сплава пропускать магнитный поток. Магнитная восприимчивость характеризует способность сплава к намагничиванию. Остаточная индукция характеризует степень остаточной намагниченности сплава после снятия магнитного поля. Коэрцитивная сила представляет собой значение напряженности магнитного поля, необходимого для того, чтобы свести к нулю остаточную намагниченность в магнитных сплавах. Химический состав магнитных сплавов, применяемых при литье по выплавляемым моделям, приведен в табл. 2.6.

2.5. ЦВЕТНЫЕ СПЛАВЫ

К цветным относят сплавы, в основу которых входят алюминий, медь, магний, титан и другие цветные металлы. В производстве литья по выплавляемым моделям применяют главным образом алюминиевые, титановые и медные сплавы.

Основные промышленные алюминиевые сплавы для фасонного литья в соответствии с ГОСТ 2685—75 по химическому составу разделяются на пять групп на основе систем: алюминий—кремний, алюминий—кремний—медь,—алюминий—медь, алюминий—магний и алюминий—прочие компоненты.

В табл. 2.7 приведены химический состав, физические, технологические и механические свойства некоторых алюминиевых сплавов, применяемых для литья по выплавляемым моделям, а также сравнительные данные механических свойств сплавов АЛ2, АЛ7 и АЛ9 при заливке в холодные и горячие формы.

Основные промышленные медные сплавы для фасонных отливок по химическому составу разделяют на три группы: бронзы оловянные и безоловянные, к которым относятся бронзы алюминиевые, марганцовистые и кремнистые (табл. 2.8), медно-цинковые сплавы или латуни (табл. 2.9).

В табл. 2.10 приведены химический состав и механические свойства некоторых магниевых сплавов, а в табл. 2.11—титановых сплавов, nbsp;применяемых для литья по выплавляемым моделям.

4.4. ЛИТЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПРЕСС-ФОРМЫ

Литые металлические пресс-формы имеют наибольшее распространение, так как они более дешевы и могут быть быстрее изготовлены, чем механической обработкой. Изготовление модели-эталона, по которому отливают пресс-форму, всегда менее трудоемко, чем изготовление самой пресс-формы механической обработкой. литье многогнездных пресс-форм по одной модели-эталону, как правило, обеспечивает меньший разброс размеров, чем при получении такой пресс-формы механической обработкой. Особенно удобны литые пресс-формы при освоении новой номенклатуры отливок и изготовлении первых образцов. В этом случае необходимые конструктивные изменения могут быть быстро осуществлены на модели-эталоне, а затем перенесены на соответствующую пресс-форму, отлитую по этой модели.

Процессы получения литых металлических и гипсовых пресс-форм аналогичны, но для изготовления металлической формы требуется металлический эталон. В металлической пресс-форме можно получить большое число моделей, поэтому в ее конструкции предусматривают приспособления, обеспечивающие удобство работы и удлиняющие срок ее службы. Такими приспособлениями служат разъемный корпус, точно пригнанные штыри с направляющими втулками, приспособления для выталкивания моделей из пресс-формы и при необходимости для комбинированных пресс-форм — различные металлические вставки.

Корпус пресс-формы обычно изготовляют сварным из листовой стали или же отливают из алюминия, штыри, втулки и толкатели изготовляют из стали.

Для предупреждения приваривания заливаемого сплава к эталону, поверхность последнего натирают чешуйчатым (серебристым) графитом, либо покрывают краской с пылевидным кварцем на жидком стекле или этилсиликатном связующем. Хорошие результаты дает копчение поверхности эталона.

В табл. 4.3 приведены составы и свойства легкоплавких сплавов. Сплав Вуда можно применять при изготовлении пресс-форм по металлическим и деревянным эталонам. Низкая температура плавления и отсутствие усадки являются основными преимуществами сплава. К его недостаткам относятся сравнительно малая прочность и высокая стоимость. Висмутовые сплавы имеют более высокие прочность и температуру плавления, они не имеют усадки, а иногда объем их при охлаждении увеличивается, Цинковый сплав при относительно невысокой температуре плавления обладает значительной прочностью и износостойкостью, его можно заливать свободной заливкой на подогретый эталон.

Рекомендуется верхнюю и нижнюю части пресс-форм отливать из разных сплавов, с различной температурой плавления. Наиболее оптимальным материалом считают сплав, содержащий 80 % РЬ, 6 % Sn, 14 % Sb с температурой плавления 250 °С, твердостью НВ 15,4 и усадкой 0,5 %.

Имеется опыт изготовления литых пресс-форм из сплава АЛ2 на машине литья под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования [41 ], При этом используют обычные блок-формы с цилиндрическими и прямоугольными вкладышами, дополнительно изготовляют только вкладыши в блок-формы для закрепления эталонов-моделей.

4.5. ПРЕСС-ФОРМЫ, ИЗГОТОВЛЯЕМЫЕ МЕТОДАМИ ГАЛЬВАНОПЛАСТИКИ, МЕТАЛЛИЗАЦИИ И НАПЫЛЕНИЯ

Для изготовления пресс-форм гальванопластикой используют эталоны из алюминиевых или цинковых сплавов. поверхность полированного эталона протирают бензином, а затем обезжиривают окисью магния. После промывки холодной водой эталон декапируют в 18 %-ном растворе хлористого никеля или в растворе соляной и фтористоводородной кислот в течение 15—20 с и вновь промывают холодной водой.

Подготовленный эталон никелируют в ванне обычного состава. Предварительно плоскость разъема эталона изолируют составом из воска и канифоли (1 : 1) для того, чтобы избежать осаждения никеля на эту плоскость. Первые 5—8 мин никелирования плотность тока должна быть 1 —1,2 А/дм2, а затем можно снизить до 0,5—0,8 А/дм2. В течение 20—25 мин осаждается слой никеля толщиной 8—10 мкм. Затем эталон меднят в гальванической ванне в 20 %-ном растворе медного купороса. Предварительно на 1 л этого раствора добавляют 70 г серной кислоты и 8 г спирта — ректификата. Электролит все время интенсивно перемешивают и фильтруют. Промытый и высушенный омедненный эталон металлизируют медью или сталью с помощью газового или электрического металлизатора. Металлизационный слой по всей поверхности эталона должен быть толщиной 2—2,5 мм.

После металлизации алюминиевый эталон удаляют растворением в кипящем растворе щелочи, а цинковый — выплавлением при 450 °С. Полученную металлическую коронку травят в кислоте, а затем промывают в воде и просушивают. Коронку устанавливают на плиту, накладывают корпус пресс-формы и заливают гипсовым раствором или легкоплавкими сплавами. Аналогичным образом получают вторую половину пресс-формы.

При изготовлении пресс-формы металлизацией лучше использовать эталон из алюминия, который быстро окисляется на воздухе и окисная пленка препятствует сцеплению металлизационного слоя с эталоном. Металлизация может производиться аппаратом ЭМ-3 или ЭМ-ЗА.

Для металлизации металлический корпус пресс-формы (рамку) вместе с модельным эталоном устанавливают на плиту. Металл наносят вкруговую, начиная от рамки и заканчивая центром. Для лучшего сцепления распыляемого металла с рамкой на ее внутренних сторонах делают отверстия или канавки. Толщина наносимого слоя зависит от габаритных размеров пресс-формы и колеблется

в пределах 1,5—5 мм. При непрерывном нанесении толстостенного покрытия эталон нагревают, что снижает качество изготовленной пресс-формы. В этом случае следует проводить металлизацию с охлаждением эталона сухим сжатым воздухом или же с перерывами в работе. При извлечении эталона из-за хрупкости металлизационного слоя возможно выкрашивание кромок, что легко исправить последующей запайкой. Полученную форму заливают гипсом или легкоплавким сплавом.

Пресс-формы, изготовленные металлизацией, можно также делать многогнездными, монтируя коронки в стальном корпусе и соединяя их между собой пайкой, заливкой легкоплавкими сплавами или дополнительной металлизацией с нерабочей стороны.

При плазменном напылении [26] применяют металлические, графитовые и гипсовые модели. Напыляют различные металлические порошки. Плазмообразующими газами являются водород, аргон, аммиак или смеси этих газов. Образованную оболочковую полуформу заливают металлом или засыпают металлическим порошком с последующим спеканием, применяя нагрев электротоком. Внутренние полости пресс-форм полируют.

4.6. ПЛАСТМАССОВЫЕ ПРЕСС-ФОРМЫ

Для мелкосерийного производства удобно и экономически целесообразно изготовление пресс-форм из пластмасс холодного твердения методом свободной заливки на эталон. Пресс-формы, полученные указанным методом, имеют высокую механическую прочность, не подвержены короблению, разбуханию, коррозии, они обеспечивают достаточную точность получаемых моделей.

Наиболее широкое применение получили пластмассы на основе эпоксидных смол. Эпоксидные смолы являются вязкими жидкостями, в которые вводятся пластификаторы и отвердители. Затвердевшая в результате полимеризации смола — это необратимая и неплавкая масса с малой теплопроводностью и низкой твердостью. Для улучшения свойств отвержденных пластмасс применяют инертные наполнители (металлические, минеральные, органические). Наиболее теплопроводной является пластмасса на основе эпоксидной смолы с добавлением железных, алюминиевых и медных порошков.

Процесс изготовления металлопластмассовых пресс-форм аналогичен их получению из гипса или легкоплавких сплавов и состоит из изготовления эталона и по нему пресс-формы. Установленный эталон, который может быть выполнен практически из любого материала, и плоскость разъема смазываются разделительным составом (густым маслом, например подсолнечным, растворами 10—15 мас. ч. полиизобутилена в бензине, или 15—20 мас. ч. сырой резины в толуоле, 7—10 мас. ч. поливинилового спирта в воде, либо 30 мае. ч. воска в скипидаре). Затем в емкость загружают составляющие в определенных пропорциях.

5.6. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОДЕЛЕЙ

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.).

В отдельных исключительных случаях модели для получения штучных отливок можно изготовить обработкой резанием из блоков вспененного полистирола.

Подготовка пресс-форм. Пресс-формы очищают (протирают, обдувают), смазывают их рабочую поверхность, собирают, в ряде случаев подогревают или охлаждают. Очистку, т. е. удаление частиц модельного состава, оставшихся в углублениях и отверстиях полости пресс-формы, производят обычно обдувкой сжатым воздухом. Состав, прилипший к пресс-форме, удаляют деревянными счищалками. Протирают пресс-формы марлевым или ватным тампоном. Крупные и сложные пресс-формы смазывают перед каждой операцией. При изготовлении из пастообразных составов на парафиновой основе мелких, несложных по форме моделей, возможно периодическое смазывание пресс-форм через 10—12 запрессовок. В качестве смазочного материала используют чистое трансформаторное масло, или касторовое масло, смешанное с этиловым спиртом в соотношении 1 : 1 для уменьшения вязкости. В условиях массового производства моделей на полуавтоматических и автоматических агрегатах смазывание пресс-форм осуществляется обдувкой их рабочих поверхностей масляной эмульсией

При ручном изготовлении моделей смазочный материал наносят тонким ровным слоем с помощью ватного или матерчатого тампона. Густой и неравномерный смазочный материал вызывает образование на поверхности моделей раковин, складок, шероховатости и является причиной неточного выполнения контуров модели, особенно острых кромок.

Температура пресс-формы оказывает важное, часто решающее влияние на качество моделей, особенно при изготовлении моделей свободной заливкой. Пресс-формы перед началом работы обычно подогревают введением в них модельного состава. При этом первые (одна-две) модели направляются в переплав.