Технические науки/1. Металлургия

Магистрант Нурланова М.Б.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Сущность и технология процесса литья по газифицируемым моделям

Литье по газифицируемым моделям воспринимают как технологию будущего, учитывая его экологичность, высокую точность получаемых отливок и степень оборотного использования формовочного песка.

Литье по газифицируемым моделям это процесс литья, при котором газифицируется модель, который похож на литье по выплавляемым моделям, только вместо модели из воска, используют пенополистироловую модель. Этот процесс использует низкую температуру при испарении пенополистирола, процесс литья упрощается за счет устранения необходимости расплавления воска из формы.

Во-первых, модель изготавливается из пенополистирола, которая может быть сделана различными способами. Вспенивающийся полистирол, который представляет собой синтетический полимерный продукт суспензионной полимеризации стирола в присутствии эмульгатора, стабилизатора и порообразователя. В качестве порообразователя чаще всего используют изопентан. Применяемые для изготовления моделей гранулы вспенивающегося полистирола представляют собой полупрозрачные или белые непрозрачные шарики диаметром до 3,2 мм с внешней твердой полистирольной оболочкой, внутри которой находится жидкая фаза – изопентан. Чем тоньше стенки модели, тем мельче должны быть гранулы вспенивающегося полистирола. При нагреве до 28 ˚С изопентан закипает и превращается в газ с увеличением объема, а при 80 – 90 ˚С полистирольная оболочка размягчается и под действием давления газа деформируется. В первую очередь гранулы пенополистирола расширяют, во время предварительного расширения сырье увеличивается до 30 кратного размера, при этом плотность материала снижается c 635 до 18-24 г/м³. Эта низкая плотность необходима в процессе литья для того чтобы обеспечить тщательную замену модели при заливке расплавленного металла [1].

Широко применяются несколько способов получения пенополистироловых моделей: вырезанием горячей проволокой из блочного полистирола; фрезерованием на 3-х координатном станке с ЧПУ по чертежу детали; выпеканием в автоклавах с камерой объёмом от 100 до 1000 литров; изготовлением на полуавтоматах методом теплового удара. Для небольшого объема и если геометрия достаточно проста, модель можно вырезать вручную и подвергнуть механической обработке из твердого блока пенополистирола, также её можно вырезать с помощью горячей проволоки. Если объем большой, то модель может выпускаться массово, аналогично процессу литья под давлением. Предварительно расширенные гранулы полистирола вводят в разогретую алюминиевую пресс-форму при низком давлении. Пар вводят в пенополистирол, что приводит к его расширению, для того чтобы заполнить матрицу. Конечная модель состоит примерно 97,5% воздуха и 2,5% полистирола. Слишком сложную деталь могут склеивать из нескольких частей в одну. Готовые модели собирают в модельные блоки с элементами литниково-питающей системы, сборку осуществляют тепловым способом или склеиванием. При малых размерах модели собирают в куст на одном стояке [2].

Применение пенополистироловых моделей упрощает организацию питания отливок. Прибыли можно устанавливать в любом участке отливки и любой желательной конфигурации. Расход металла на прибыли снижается на 20-30 %. В материал пенополистироловой модели иногда вводят легирующие или модифицирующие материалы для легирования и модифицирования сплава в литейной форме.

Далее, модельный куст покрывается специальным противопригарным покрытием, через окунание, кистью, распылением или обливом. Это покрытие создает барьер между гладкой поверхностью модели и грубой поверхностью песка. Также он образует барьер так, что расплавленный металл не проникает через него и не вызывает эрозию песка во время заливки. Высушенными их можно хранить очень долго, они не теряют своих размеров и свойств. В итоге получается огнеупорная газопроницаемая оболочка, прочно связанная с пенополистирольной моделью.

После того как покрытие высохнет, модельный куст помещается в опоку и засыпается несвязанным песком. Песок уплотняется с помощью вибрационного стола. Как только уплотнится, можно заливать. Расплав заливают прямо в полистирольную модель, пенополистирол газифицируется. Так как модель низкой плотности, газов, образующиеся при выгорании, относительно немного, и уходят через проницаемость форму.

Обычно литьё включает чугунное литьё, литьё алюминиевых сплавов, стальное, никелевых сплавов, реже нержавеющую сталь и медные сплавы. Размерный ряд от 0,5 кг до нескольких тонн. Минимальная толщина стенки 2,5 мм и нет предела. Типичная толщина покрытия поверхности от 2,5 до 25 мкм.

Этот процесс литья является выгодным для очень сложных отливок, которым регулярно необходимы стержни. Также этот процесс точен по размеру, обеспечивает гладкую поверхность, и формируется без линий разъема и без стыков. Несвязанный песок при ЛГМ значительно проще поддерживать, чем сырую формовочную смесь, связанную с песком смолой. ЛГМ, как правило, более экономично, чем литьё по выплавляемым моделям. Моделью легко манипулировать, вырезать и клеить, благодаря своим уникальным свойствам. Гибкость ЛГМ чаще всего позволяет объединять несколько частей в один компонент, другие процессы требует изготовления одной или больше частей для сборки. Уменьшается количество засоров, т.к. в полость форму не попадают инородные включения, из-за пенополистироловой модели. Получаемые отливки имеют довольно высокую точность, даже если отливка имеет сложную конфигурацию. Иногда отказываются от механической обработки, так как у отливок высокое качество поверхности.

Двумя основными недостатками является то, что стоимость модели может быть слишком высокой для маленького объема и модели легко разрушаются и повреждаются из-за низкой прочности [3].

При литье используются почти все марки чугунов и стали, износостойкие, высоколегированные, теплостойкие и жаропрочные и т.д. Также практически все марки алюминия и бронз.

Литьё по газифицируемым моделям резко уменьшает затраты на оборудование. Уменьшает число технологических операций и конечной обработки отливок. Сокращает количество отходов производства и потребление электроэнергии. Уменьшает использование производственной площади и затраты на вспомогательные материалы.

Литература:

1. Шуляк В.С. Литье по газифицируемым моделям. – СПб.: НПО «Профессионал», 2007. – 32 с.

2. Degarmo, Paul E., Black J.T., Ronald A. Materials and processes in Manufacturing (9^th ed.), Wiley, 2003, pp. 320-321.

3. Kalpakjian S., Schmid S. Manufacturing Engineering and Technology (5^th ed.), Pearson, pp. 297-299.