Литье по выплавляемым моделям известно много столетий. Оно применялось в художественном литье, в котором использовались восковые выплавляемые модели. Современный способ литья по выплавляемым моделям основан на применении моделей, изготовленных из легкоплавких материалов и огнеупорных красок или покрытий, наносимых на поверхности моделей. Литейная форма при этом способе получается без разъема, благодаря чему появляется возможность получения отливок высокой точности. Применение огнеупорных красок при изготовлении форм позволяет получить у литых деталей поверхности с малой шероховатостью.

Этот способ литья можно охарактеризовать как прогрессивный способ получения точных и сложных по форме отливок из любых литейных сплавов, в связи с чем оно получило широкое распространение в машиностроении, приборостроении, в инструментальном производстве, при изготовлении художественного литья, в том числе и ювелирных изделий. Литейная форма для этого способа литья представляет собой неразъемную тонкостенную, прочную, негазотворную, высокоогнеупорную оболочку с очень гладкой внутренней (рабочей) поверхностью. Такую оболочку изготавливают из мелкозернистых формовочных материалов по разовым (выплавляемым, растворимым или выжигаемым) моделям.

Литье по выплавляемым моделям заключается в следующем. Вначале по чертежу отливки (рис. 18.1, а) изготавливают пресс- форму (рис. 18.1, б ), которая в дальнейшем служит для получения моделей из легкоплавких материалов.

Пресс-форма может быть изготовлена различными методами и из различных материалов (стали, алюминиевых сплавов, легкоплавких металлов, гипса, цемента, эпоксидной смолы и др.). По своей конструкции пресс-формы могут быть одногнездными и многогнездными. Полость пресс-формы, в которой формируют модель, должна быть выполнена с учетом усадки материала моделей и литейного сплава. Она должна иметь минимальное число разъемов, обеспечивать требуемую точность размеров и чистоту поверхности модели.

Для получения моделей в пресс-формах применяют различные легкоплавкие материалы или составы (парафин, стеарин, церезин, канифоль и др.). Наибольшее распространение в отечественной промышленности нашли двухкомпонентные легкоплавкие материалы, состоящие из парафина и стеарина, температура плавления которых 50...60°С.

После подготовки пресс-формы (очистки, нанесения смазки и сборки) ее полость заполняют легкоплавким модельным соста-

Рис. 18.1.

а - отливка; б - пресс-форма; в - литейная форма; г - блок литейных форм: / - до покрытия оболочкой; 2 - после покрытия оболочкой вом, который подают или свободной заливкой (при температуре

70...90°С), или запрессовкой в пастообразном состоянии (при температуре 42...45°С). В полости модельный состав охлаждается и затвердевает. Полученную модель извлекают из пресс-формы и охлаждают до нормальной температуры. Следует иметь в виду, что с помощью пресс-формы образуют как наружные, так и внутренние поверхности модели. Стержни для получения внутренних полостей или отверстий при литье по выплавляемым моделям, как правило, не применяют. Если получить отливку без стержней невозможно, то последние изготавливают с высокой точностью чаще всего из специальных керамических материалов и вставляют в пресс-форму при сборке, перед подачей в нее модельного состава. Это очень усложняет процесс, что учитывают при проектировании деталей.

Полученные из легкоплавкого материала модели (рис. 18.1, в) позволяют перейти к изготовлению литейных форм. Однако при небольших габаритных размерах и массе отливок, получаемых при литье по выплавляемым моделям, изготовление форм для получения только одной отливки бывает нецелесообразно. Поэтому полученные модели чаще всего предварительно собирают в блок (рис. 18.1, г) с единой литниковой системой. Модель литниковой системы изготавливают отдельно в специальной пресс-форме. Блок объединяет от нескольких единиц до нескольких десятков моделей.

Основным материалом для получения формы при литье по выплавляемым моделям служит огнеупорная краска или покрытие. Огнеупорная краска представляет собой жидкую сметанообразную суспензию, состоящую из 55...60% тонкозернистого пылевидного кварца и 40...45 % связующего раствора. В качестве связующего раствора применяют гидролизованный этилсиликат или жидкое стекло. Литейную форму получают нанесением огнеупорной краски на поверхность моделей, собранных в блок. Эту операцию чаще всего осуществляют погружением блока в бак с огнеупорной краской. Тонкую пленку, прилипающую к поверхности моделей и точно воспроизводящую форму, обсыпают мелким кварцевым песком. Песок внедряется в слой краски, задерживает ее на поверхности модели, формирует скелет оболочки-формы и увеличивает ее толщину. Создаваемая песком шероховатая наружная поверхность оболочки способствует хорошему сцеплению последующего слоя краски с предыдущим. Полученная таким образом оболочка из краски практически не обладает прочностью. Оболочка приобретает прочность в процессе сушки (2...4 ч) без повышения температуры. Толщина одного слоя оболочки составляет всего 1,0... 1,5 мм. В результате нанесения нескольких (3 - 5) слоев огнеупорной краски на блоке моделей образуется неразъемная оболочка - форма с достаточной прочностью (рис. 18.1, д).

Далее выполняют технологическую операцию освобождения оболочки от моделей. Чаще всего модель в течение 10... 15 мин расплавляют в горячей воде (температура примерно 90 °С). Модельный состав, вытекающий через каналы литниковой системы, собирают и вновь используют для изготовления моделей, а пустую оболочку-форму просушивают.

Оболочку после удаления из нее моделей (рис. 18.2, а) прокаливают, помещая ее в неразъемную опоку (рис. 18.2, б). В зависимости от выбранного варианта технологического процесса пространство между стенками опоки и оболочки-формы заполняют наполнителем (крупнозернистый песок, чугунная дробь или другой материал) до обжига или сразу после него. Температура обжига форм составляет 900... 1 000°С.

Прокаленную и заформованную оболочку заливают жидким литейным сплавом. При производстве сложных и тонкостенных отливок из стали полученную после обжига форму, не охлаждая, заливают металлом при температуре 900...950 °С, отливок изспла-

Рис. 18.2. Заключительные операции изготовления оболочковой формы: а - удаление моделей выплавлением; б - прокаливание

bob на основе меди - при температуре 600...800°С, отливок из сплавов на основе алюминия - при температуре 200...300°С.

Толстостенные отливки из любых сплавов получают в охлажденных формах.

После заливки металла формы охлаждают и разрушают. При этом керамическая оболочка формы отслаивается от внешних поверхностей отливок, однако прочно удерживается во внутренних полостях, углублениях и отверстиях. Поэтому отливки, отделенные от литниковой системы, подвергают механической очистке (дробеструйной и гидроструйной, в галтовочных барабанах) или химико-термической очистке (в растворах или расплавах щелочей). Затем производят зачистку остатков от литников, прибылей и выпоров, термическую обработку (в случае необходимости) и контроль отливок.

Таким образом, по сравнению с другими способами литья процесс получения отливок по выплавляемым моделям имеет характерные особенности.

Первая особенность касается модели: модель отливки не имеет разъема и знаковых частей, ее контуры полностью и точно повторяют форму детали; модель всегда является одноразовой, т.е. служит для изготовления только одной литейной формы и в процессе изготовления формы уничтожается.

Вторая особенность связана с литейной формой: керамическая оболочка толщиной 2...8 мм не имеет поверхности разъема, формирующая отливку поверхность формы обеспечивает получение отливки с малой шероховатостью и требуемой точностью.

Наконец, третья особенность состоит в том, что металл заливают в горячие формы, что создает благоприятные условия для заполнения формы и питания отливки и позволяет получать тонкостенные отливки массой в несколько граммов.

Литье по выплавляемым моделям - это процесс, в котором для получения отливок применяются разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, получаемые по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей. Перед выжиганием, выплавлением или испарением. Для удаления остатков модели и упрочнения формы ее нагревают до высоких температур. Прокалкой формы перед заливкой достигается практически полное исключение ее газотворности, улучшается заполняемость расплавом. литье пресс форма лазернойстереолитография

Основные операции технологического процесса можно проследить по рис. 1.1. модель или звено моделей 2 изготовляют в разъемной пресс-форме 1, рабочая полость которой имеет конфигурацию и размеры отливки с припусками на усадку (модельного состава и материала отливки) и обработку резанием (рис. 1.1 а). Модель изготовляют из материалов, либо имеющих невысокую температуру плавления, либо способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол). Готовые модели или звенья моделей собирают в блоки 3 (рис. 1.1 б), имеющие модели элементов литниковой системы из того же материала, что и модель отливки. Блок моделей состоит из звеньев, центральная часть которых образует модели питателя и стояка. Модели чаши и нижней части стояка изготовляют отдельно и устанавливают в блок при его сборке. Блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью - суспензией для оболочковых форм, состоящей из пылевидного огнеупорного материала, например, пылевидного кварца или электрокорунда, и связующего (рис. 1.1 в). В результате поверхности модели образуется тонкий (менее 1 мм) слой 4 суспензии. Для упрочнения этого слоя и увеличения толщины на него наносят слои огнеупорного зернистого материала 5 (мелкий кварцевый песок, электрокорунд, зернистый шамот) (рис. 1.1 г). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщины (3-10 слоев).

Каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака 6, что зависит от связующего (рис 1.1 д). После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. Например, в процессе удаления выплавляемой модели в горячей воде 7 получают многослойную оболочковую форму по выплавляемой модели (рис. 1.1 е). С целью упрочнения перед заливкой ее (форму) помещают в металлический контейнер и засыпают огнеупорным материалом 8 (кварцевым песком, мелким боем использованных оболочковых форм) (рис. 1.1 ж). Для удаления остатков моделей из формы и упрочнения связующего контейнер с оболочковой формой помещают в печь 9 для прокаливания (рис. 1.1 з). Прокалку формы ведут при температуре 900..1100°С, далее прокаленную форму 10 извлекают из печи и заливают расплавом (рис. 1.1 и). После затвердевания и охлаждения отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники.

Малая шероховатость поверхности формы при достаточно высокой огнеупорности и химической инертности материала позволяет получать отливки с поверхностью высокого качества.

Отсутствия разъема формы, использование для изготовления моделей материалов формы, нагрев ее до высоких температур перед заливкой - все это способствует улучшению заполняемости, дает возможность получать отливки сложнейшей конфигурации, максимально приближенной или соответствующей конфигурации, максимально приближенной или соответствующей конфигурации готовой детали, практически из известных сплавов.

Эффективность производства и область применения. Исходя из производственного опыта можно выделить ряд преимуществ способа литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям: 1) возможность изготовления практически из любых сплавов отливок разной конфигурации, тонкостенных, с малой шероховатостью поверхности, высоким коэффициентом точности по массе, минимальными припусками на обработку резанием, с резким сокращением отходов металла в стружку; 2) возможность создания сложных конструкций, объединяющих несколько деталей в один узел, что упрощает технологию изготовления машин и приборов; 3) возможность экономически выгодного осуществления процесса в единичном и серийном производствах, что важно при создании новых машин и приборов; 4) уменьшение условий труда и уменьшение вредного воздействия литейного процесса на окружающую среду.

Наряду с преимуществами данный способ обладает и следующими недостатками: 1) процесс изготовления формы многооперационный, трудоемкий и длительный; 2) большое число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки, и соответственно связанная с этим возможность управления качеством; 3) большая номенклатура материалов, используемых для получения формы (материалы для моделей, суспензии, обсыпки блоков, опорные материалы); 4) сложность манипуляторных операций изготовления моделей и форм, сложность автоматизации этих операций; 5) повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий технологический выход годного (ТВГ).

Указанные преимущества и недостатки определяют эффективную область использования литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям, а именно:

• 1) Изготовление отливок, максимально приближающихся по конфигурации к готовой детали, с целью снизить трудоемкость по конфигурации к готовой детали, с целью снизить трудоемкость обработки труднообрабатываемых металлов и сплавов резанием, сократить использование обработки давлением труднодеформируемых металлов и сплавов, заменить трудоемкие операции, надежности конструкций деталей и узлов;
• 2) Изготовление тонкостенных крупногабаритных отливок повышенной точности с целью уменьшить массу конструкции при повышении ее прочности, герметичности и других эксплуатационных свойств;
• 3) Изготовление отливок повышенной точности из сплавов с особыми свойствами и структурой.

Производство отливок по выплавляемым моделям находит широкое применение в разных отраслях машиностроения и в приборостроении. Использование литья в оболочковые формы для получения заготовок деталей машин взамен изготовления их из кованых заготовок или проката приводит к снижению в среднем на 34..90% отходов металла в стружку. При этом трудоемкость обработки резанием уменьшается на 25..85%, а себестоимость изготовления деталей - на 20..80%. однако следует учитывать, что экономическая эффективность существенно зависит от выбора номенклатуры отливок, изготовляемых этим способом. Только при правильном выборе номенклатуры деталей достигается высокая экономическая эффективность данного производства.

Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в следующем (рис. 69). На модель или блок из нескольких моделей 1, сделанную из воска или подобного материала, наносят несколько слоев (3-5) огнеупорного материала 2 сметанообразной консистенции с обсыпкой сухим мелким песком для прочности. После сушки формы модель из оболочки S выплавляют, оболочку прокаливают до 800 °С, заформовывают в опоку 4 и горячую форму заливают металлом 5
Таким способом удается получить литые (от нескольких граммов до 2 кг и более), сложной конфигурации тонкостенные (до 0,3 мм) детали с высокой чистотой поверхностей (4-6-й класс чистоты) и с повышенной точностью размеров по 7-9-му классу. Такие детали обычно применяют в конструкциях и механизмах без предварительной механической обработки, за исключением сопрягаемых поверхностей. По выплавляемым моделям получают, например, турбинные лопатки авиационных турбинных двигателей, различные детали автомобилей (массой от 0,3 до 2 кг), сложные детали приборов, крыльчатки различных насосов сложной формы и многое другое. Производство точного литья дает народному хозяйству экономию проката (примерно 1,5-2 т проката на каждой тонне литья) и высвобождает огромное число металлорежущего оборудования (станков).

Особенности этого способа литья - одноразовое использование моделей и керамической формы, отсутствие в форме разъемов, что исключает образование перекосов и заливов, отсутствие процесса расталкивания модели, а также заливка сплава в подогретую форму, что снижает опасность образования внутренних напряжений в отливках и повышает заполняемость. Однако стоимость отливок, полученных этим способом, значительно выше, чем при литье в песчаные формы, и цикл их изготовления более длителен. Чем механизированнее производство, тем отливки дешевле, поэтому в России работают (ГАЗ, ЗИЛ и др.) и строятся новые цехи с высокой степенью механизации и автоматизации процессов, со сравнительно высокой производительностью и годовым выпуском 2500-7000 т отливок.
Для приготовления модельных составов применяют смеси ПС (50 % парафина и 50 % стеарина) и ПВ (70 % парафина и 30 % воска); составы КПЦ (50 % канифоли, 30 % полистирола и 20 % церезина) и РЗ (60 % парафина, 22 % церезина, 12 % буроугольного воска, 6 % кубового остатка) и др. Модельные составы имеют низкие температуры плавления (60-100 °С), небольшие коэффициенты объемного расширения при нагреве (что обеспечивает стабильную точность размеров формы), сравнительно высокую прочность (23/28)*10в5 Па при изгибе (что не позволяет разрушаться деталям при изготовлении и монтаже), хорошую жидкоподвижность при запрессовке их в пресс-формы.
Для составления пастообразной модельной массы используют различные смесители в виде подогреваемых ванн с различными перемешивающими устройствами 6. В действующих цехах модельная масса состоит из свежих материалов (30-50 %) и возврата (70-50%). Модели изготавливают путем запрессовки модельной массы в металлические пресс-формы (рис. 69, б) с помощью ручных шприцев 7 (для мелкосерийного производства) или на автоматических установках.
Пресс-формы делают из стати, легких сплавов, а также из неметаллических материалов - пластмасс, резины и др. Размеры полости пресс-формы рассчитывают так, чтобы обеспечить получение необходимых размеров отливки учитывают усадку легкоплавкой модели в пресс форме (0,9-1,9 %), изменение размеров оболочки при нагреве (0,5-1,0%) и охлаждении, а также величину усадки материала отливки Пресс-формы делают разъемными, чтобы облегчить извлечение модели. В зависимости от конструкции в одной пресс-форме могут быть получены одна или несколько моделей одновременно. На рис. 70 показана пресс-форма с горизонтальным разъемом для получения нескольких моделей 5. Она состоит из подвижной и неподвижной матриц 1 и 2, плит 3, толкателей 4, охлаждающих каналов 6.

В условиях массового производства применяют подобные многогнездные пресс-формы для изготовления нескольких моделей, объединенных в модельные звенья, состоящие из моделей самих деталей литниковых каналов и секций стояка (через которые заливается металл после выплавки моделей из керамической оболочки).
В современных цехах процессы изготовления модельной массы и моделей объединены в общую механизированную и автоматизированную линию. На рис. 71 приведена одна из таких установок. Модельный состав 1 укладывают в обогреваемый горячей водой бак 2, где он плавится и через фильтрующую сетку 3 стекает в ванну 4, откуда насосом 5 перекачивается в бак 6. Мерное количество модельной массы переливается в бак 8 при закрытом клапане 7. В баке 8 готовится масса необходимой температуры и консистенции, которая затем перегоняется в раздаточный бак 9. Из этого бака масса пневмонасосом 10 подается к запрессовочному устройству 11. При совмещении носка запрессовочного устройства с отверстием пресс-формы 12 происходит заполнение ее модельной массой. Пресс-формы установлены на вращающейся карусели 13. После затвердевания массы пресс-форма раскрывается и модель 14 выталкивается в ванну 15 с проточной водой. Там модели охлаждаются, а затем их вынимают для сборки модельных блоков.

Сборка (вручную) заключается в объединении моделей на одном стояке литниковой системы, т. е. готовят блок моделей для групповой отливки нескольких деталей в одной форме, так как отливать каждую небольшую отливку отдельно неэкономично. Блок моделей получают иногда припаиванием отдельных моделей к стояку. В этом случае стояк получают отдельно запрессовкой той же массы в специальную пресс-форму. Чаще же набирают секции моделей 1 (см. рис. 69, I) на металлический каркас стояка 8 (см. рис. 69, II).
Присоединение модели к стояку без припайки позволяет собирать блоки на конвейере. Благодаря этому увеличивается производительность и улучшаются условия труда. Собранный блок обдувается воздухом и передается (подвесным конвейером) на операцию нанесения огнеупорного покрытия и сушки
Параллельно с изготовлением моделей готовят огнеупорное покрытие. Оно состоит из связующего и наполнителя в виде пылевидного или плавленого и размолотого кварца SiO2 или шамота. При получении отливок из тугоплавких сплавов на основе никеля применяют циркон, диоксид титана TiO2, электрокорунд, фарфор и другие материалы, которые имеют повышенную огнеупорность и низкие коэффициенты термического расширения, что меньше нарушает размеры форм. При литье магниевых сплавов в состав керамического покрытия добавляют борную кислоту как защитное средство от окисления металла, а вместо SiO2 применяют Al2O3 либо гипс, так как кремнезем взаимодействует с магнием. При литье титана и его сплавов по выплавляемым моделям в качестве огнеупорных наполнителей используют графит, оксид циркония, нитрат циркония, электрокорунд (плавленая Al2O3). С другими же окислами титан взаимодействует. Первый слой толщиной 0,2 мм обычно делают из смеси порошка графита со связующим на основе фенольнобаритовой или фенольнофурфуроловой смол, разбавленных спиртом.
В качестве связующих применяют гидролизованный раствор этилсиликата и жидкое стекло. Этилсиликат (C1H5O)4Si - это смесь эфиров, содержащая 29 до 43 % SiO2. Чтобы этилсиликат имел связующие свойства, его подвергают гидролизу, который заключается во взаимодействии с водой, подкисленной соляной кислотой (иногда в смеси с серной) и замещении группы (C2H5O) гидроксильными группами ОН. Соляная кислота служит катализатором и способствует образованию геля кремниевой кислоты. Для растворения этилсиликата к воде добавляют спирт, например изопропиловый технический спирт (65%) в смеси с ацетоном (35 %). Количество разбавителя обычно рассчитывают так, чтобы в гидролизованном растворе содержалось 17-20 % SiO2. При таком количестве SiO2 в связующем достигается максимальная прочность керамической пленки при последующем твердении оболочки. Этилсиликат, взаимодействуя с водой по реакции (C2H5O)4Si + 2Н2О → SiO2 + 4C2H5OH, выделяет кремнезем, переходящий затем в аморфный, а после прокалки в кристаллический (твердый).
Огнеупорное покрытие готовят смешением связующего и наполнителя в специальных мешалках. В зависимости от дозировки этих составляющих получают суспензию необходимой консистенции; обычно для первого слоя готовят более густые суспензии (65-70 % пылевидного кварца и 30-35 % гидролизованного раствора этилсиликата), а для последующих - более жидкие (35-45 % раствора связующего). Количество слоев, наносимых на выплавляемые модели, зависит от размера и массы получаемой отливки и может быть от 3 до 15 с общей толщиной оболочки формы 2-15 мм.
Огнеупорное покрытие наносят при окунании блока моделей в бак с суспензией (на 1-2 с), затем обсыпают прокаленным кварцевым песком или зерновым шамотом, чтобы упрочнить слой суспензии на модели и не позволить ей стекать при сушке.

На рис. 72 приводится схема автоматической линии нанесения покрытия на блок. Блок 1, двигаясь на конвейере со скоростью 1,5-2 м/с, по контуру поворачивается и погружается в ванну 2 с суспензией и далее в бак 3 с кипящим слоем присыпочного материала. Кипящий слой песка создастся путем подачи в бак с песком воздуха под давлением 0,4-0,5 МПа, который поднимает и удерживает его во взвешенном состоянии. В зависимости от того, сколько необходимо по технологии нанести слоев, столько предусматривается и этих операций (в среднем наносят 4-7 слоев).
Нанесенное покрытие сушится при прохождении блока на подвеске движущегося конвейера через камеру воздушной или воздушно-аммиачной сушки при 23-25 °C течение 60-90 или 15-20 мин соответственно (добавление 3 % аммиака в воздух ускоряет сушку). После сушки последнего слоя покрытия блоки направляют (с помощью цепного конвейера) для выплавки модельного состава.
Модельные комплекты с металлическими стояками, закрепленными на подвесках непрерывно движущегося конвейера, подают в ванну с горячей водой (85-95 °C) литниковыми воронками вверх. После расплавления модельного состава оболочки через 5-10 мин их подают к другому конвейеру для прокалки. Выплавленный модельный состав всплывает на поверхность ванны и периодически собирается для повторного использования.
Оболочки после выплавления состава подвергают сушке и последующему прокаливанию (или формовке и прокаливанию). При сушке оболочки нагревают до 150-200 °C в течение 1,5-2 ч. Сушку ведут в электрических или газовых сушилках либо в низкотемпературной зоне прокалочных печей непрерывного действия Прокалку ведут непосредственно после сушки. Вначале оболочки заформовывают (снаружи засыпают наполнителем) в специальные металлические коробки - опоки или жакеты для увеличения массы формы, замедления ее нагрева или остывания и возможности заливки в горячую форму, что важно при изготовлении тонкостенных отливок, а также для предупреждения разрушения их во время заливки от давления и массы металла. В качестве наполнителя используют сухой песок, хромистый железняк, металлическую дробь и др., которые в опоку свободно поступают из бункеров, засыпаются вокруг оболочки и уплотняются с помощью легкой вибрации. Для предупреждения деформации оболочки и сохранения постоянными ее размеров перед и во время заливки иногда используют сухую засыпку с добавкой связующих материалов в виде 1-2 % буры или борной кислоты. Бура или борная кислота при нагреве до 600-800 °C оплавляется и скрепляет засыпку в прочную массу. С этой же целью применяют жидкие наполнители (консистенция жидкой сметаны): 10-20% (по массе) песка, 80-40% цемента и воду (25-30 % сверх 100 % массы сухой смеси). Залитая в опоку смесь плотно прилегает к поверхности оболочки, быстро твердеет на воздухе (либо в результате подогрева), а затем формы подаются на прокаливание.
Прокаливание - последняя и ответственная операция изготовления форм. Оболочки (в опоках с наполнителями) прокаливаются в течение 6-8 ч при 850- 950 °С в камерных или проходных печах, нагреваемых газом или электроэнергией. Графитовые оболочки, предназначенные для литья титана, прокаливают при 1000-1100 °С для удаления газотворных составляющих обмазки.
В процессе прокаливания из формы выжигаются остатки модельного состава и газотворные примеси оболочки, увеличивается газопроницаемость формы, заканчивается процесс образования керамической оболочки. Прокалка оболочковых форм, заформованных в опоки с помощью наполнителя, значительно удлиняет подготовку форм под заливку, что особенно неблагоприятно при использовании автоматизированного поточного способа получения отливок по выплавляемым моделям. В России разработан способ прокалки оболочек без засыпки, в результате чего время прокалки сокращается до 0,5-1,0 ч, а засыпка производится после прокалки путем создания вокруг нагретой оболочки наполнителя в виде кипящего слоя, аналогичного показанному на рис. 72. В отдельных случаях при небольшой массе отливок и плотности сплава заливку ведут без применения засыпки.
Керамические формы заливают при определенных температурах металла и формы в зависимости от массы и конфигурации отливок, а также технологических свойств сплавов. Температура алюминиевых сплавов при заливке составляет 650-710 °С, а формы 50-300 °С, температура оловянных бронз 1080-1100 °C и формы 400-500 °С, алюминиевых бронз 1120-1140 °C и формы 650-700 °С, латуни 950-980 °C и формы 200-600 °C, никелевых сплавов 1580-1630 °С и формы 800-850 °С.
Заливка форм металлом производится обычно из ковшей. Если сплавы склонны к пленообразованию, то заливку ведут непосредственно из печи. Для получения более качественных отливок формы иногда ставят и заливают на центробежных машинах с вертикальной осью вращения. При вращении в результате центробежной силы происходит хорошее заполнение полости формы, обеспечивается направленное затвердевание и повышенная плотность отливки. Иногда формы помещают в герметические камеры и заливку ведут в вакууме или в атмосфере инертных газов (аргона, гелия) для предотвращения окисления металла.
Залитые формы охлаждаются на заливочных площадках либо в охладительных ветвях конвейера в течение 1-5 ч. Охлажденные отливки выбивают различными способами в зависимости от материала формы и объема производства.
Формы с сухим наполнителем освобождают от наполнителя на специальных механических опрокидывателях. Формы с наполнителем, имеющим связующее, выбивают с помощью пневмомолота или на вибрационных решетках.
После выбивки из форм на отливках обычно остается часть огнеупорного покрытия, которую удаляют на специальных станках вибрацией. От литников и прибылей отливки отделяют с помощью прессов, абразивных кругов и механических дисковых и ленточных пил, газовой резкой, на токарных и фрезерных станках.
Завершающая операция - очистка отливок от остатков керамического покрытия и окалины кипячением в щелочах KOH или NaOH (20-40 %-ные растворы) при 105-110 °C (выщелачивание) с последующей промывкой в горячей воде (во вращающемся барабане). Качество отливок проверяют по химическому составу и механическим свойствам материала, по состоянию поверхности и точности размеров и массы деталей визуально, просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами, люминесцентным контролем, с помощью калибров и эталонов.
Основные виды брака отливок в цехах точного литья - отклонения от размеров, засоры, ухудшенная поверхность. Этот брак получается в результате разрушения или деформации оболочки и химического взаимодействия формы с металлом. Возможен брак по усадочной пористости и негерметичности, что связано с недостаточным питанием отливок, неправильной конструкцией литниковопитающей системы, а также недоливы, отклонения от химического состава, трещины, вызванные термическими напряжениями и неподатливостью форм.
В производственных условиях различают окончательный брак и исправимый. Дефекты исправляют заваркой, чеканкой, зачисткой, пропиткой и другими способами.
Отливки по выплавляемым моделям по стоимости относятся к сравнительно дорогому литью, поэтому потери от брака стремятся свести к минимуму. В цехах с хорошо отлаженным процессом можно добиться снижения стоимости литья в 1,5-2 раза по сравнению с немеханизированным производством, а уменьшения трудоемкости изготовления тонны литья - в 2-4 раза.

Для правильной оценки возможности применения литья по выплавляемым моделям необходимо сопоставить его преимущества и недостатки.

Этот способ литья позволяет максимально приблизить отливку по форме и размерам к готовой детали, а в ряде случаев получить литую деталь в окончательном виде, не требующую какой-либо дополнительной обработки перед сборкой. При этом достигается резкое снижение трудоемкости механической обработки, уменьшается расход металла и металлорежущего инструмента, сокращается потребность в металлорежущих станках. Создается также возможность для совершенствования конструкции деталей и объе-динения отдельных мелких деталей в цельнолитые узлы при уменьшении их габаритных размеров и массы.

Рисунок 4.12 - Заключительные операции изготовления оболочковой формы: а - удаление моделей выплавлением; б – прокаливание

Литье по выплавляемым моделям обладает следующими недостатками:

§ процесс изготовлении формы многооперационный, трудоемкий и длительный;

§ большое число технологических факторов, влияющих на качество формы отливки и соответственно сложность управлении качеством;

§ большая номенклатура технологических материалов;

§ повышенная температура заливки и применение предварительно нагретых форм приводят к снижению механических свойств;

§ повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий технологический выход годного.

Масса отливок при литье по выплавляемым моделям ограничена. Отливки изготавливают массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов, но преимущественно в пределах 50...500 г. Наибольшие размеры отливок достигают 1000 мм.

Данный способ оказывается наиболее рентабельным:

При крупносерийном и массовом производстве мелких, но сложных и ответственных деталей, с высокими требованиями к точности размеров и шероховатости поверхности; особенно эффективно применение литья по выплавляемым моделям, если эти требования могут быть обеспечены влитом состоянии без последующей механической обработки;

Для деталей сложной конфигурации, которые нельзя изготовить как одно целое никакими иными способами;

При изготовлении отливок со сложными внутренними очертаниями, когда достигается снижение себестоимости отливки за счет экономии металла;

Для деталей, изготавливаемых из металлов и сплавов, которые не поддаются обработке давлением, а также сплавов с низкими литейными свойствами.

Способ литья по выплавляемым моделям используют для получения отливок из литейных сплавов на основе железа, никеля, титана, меди и алюминия. Однако чаще всего этот способ литья применяют при производстве отливок из сталей, особенно из специальных, и сплавов, плохо поддающихся механической обработке.

Заливка форм, имеющих высокую температуру, позволяет получать отливки с малой толщиной стенок (0,5... 1,0 мм) при протяженности стенки до 50 мм. Тонкие стенки могут быть выполнены только при площади их поверхности не более 100×100 мм. Отдельные кромки отливок могут иметь толщину 0,7...0,8 мм и протяженность не более 10 мм. Оптимальная толщина стенок отливки составляет 6 мм, так как при большей толщине и недостаточном питании отливки жидким металлом могут появиться усадочные и газовые раковины и пористость.

Минимальная толщина стенок приведена в табл. 4.7.

Таблица 4.7 - Минимальная толщина стенок, мм

Сплавы	Наибольшие габаритные размеры отливок
До 50	50-100	100-200	200-350	350-500
Сталь:
углеродистая	2,5-4	4-5	5-6	6-7	7-10
легированная	3-4,8	4,8-6	6-7,2	7-8	8-12
Алюминиевые	2,5-4	4-5	5-6	6-7	8-9
Магниевые	2,5-4	4-5	4-6	5-7	7-8
Медные	2-3	4-5	4-6	5-7	6-8
Цинковые	1,5-2	3-4	3,5-5	4-6	5-7
Оловянно-свинцовые	1,5-2	2-3	3-4	3,5-5	4-6
Чугун	2-3	3,5-4	4-5	4,5-6	5-8

При конструировании деталей, ориентируемых на изготовление их способом литья по выплавляемым моделям, избегают местных утолщений и резких переходов от толстого сечения к тонкому. Отношение толщин сопряженных стенок не должно превышать 1:4. Для исключения коробления литых деталей с тонкими стенками протяженностью более 150 мм либо со стенками неравномерной толщины предусматривают технологические окна (отверстия) или ребра жесткости. Отверстия в отливках можно получить любой формы - как сквозные, гак и глухие, однако диаметром не менее 3 мм. Отверстия диаметром 3...5 мм рекомендуют выполнять только в отливках из сплавов, не поддающихся механической обработке. Сквозные отверстия рекомендуют выполнять в отливках при отношении их глубины к диаметру не более 2: 1, а глухие - при отношении 1:1; отверстия малого диаметра в стенках большой толщины выполняют при помощи трубок, залитых в отливке.

При необходимости выполнить отверстие в стенках отливок делают специальные выступы и бобышки (рис. 4.13). Высоту выступа устанавливают в зависимости от диаметра отверстия или толщины ступени Н =(4–6)D или Н ≥2,5t (рис. 4.13, а, б). Толщину стенки выступа назначают в зависимости от толщины стенки отливок t 1 =(1–1,5)t . Если отверстия расположены на торцах стенки (рис. 4.13, в, г), то соотношения размеров следующие: Н =2,25D , С =4,5В , А =1,5В .

Рисунок 4.13 - Формы выступов в отливках: а - на плоской стенке; б - в углу стенки; в, г - на торцах стенки

Следует избегать глубоких пазов и узких полостей, для оформления которых могут потребоваться стержни. Ширина паза или расстояние между выступами (рис. 4.14) могут быть выполнены при h <2b, если для сплавов цветных металлов b >1 мм, для стали b ≥2,5 мм.

Рисунок 4.14 - Размеры паза отливки

При данном способе литья наиболее качественными получаются сложные корпусные, компактные детали, поэтому желательно объединять несколько деталей в одну с последующим разделением их тем или иным способом. Крупные плоскостные детали, наоборот, целесообразно расчленять на более мелкие с последующей сборкой отдельных частей.

Экономическую целесообразность изготовления деталей литьем по выплавляемым моделям необходимо рассчитывать в каждом конкретном случае сравнением себестоимости детали, полученной этим способом, с себестоимостью деталей, полученных механической обработкой, штамповкой или литьем иным способом. Использование деталей, полученных литьем по выплавляемым моделям, вместо штампованных позволяет снизить расход металла на 55...75%, трудоемкость механической обработки - на 50...60% и себестоимость деталей - на 20 %.

Себестоимость 1 т литья, получаемого по выплавляемым моделям, при всех условиях значительно выше, чем при литье в песчаные или оболочковые формы. Например, в условиях массового производства на автомобильных заводах себестоимость 1 т отливок по выплавляемым моделям в 6 - 7 раз выше по сравнению с отливками, получаемыми в сырых песчано-глинистых формах, и в 5 -6 раз - по сравнению с отливками, получаемыми в оболочковых формах.

Поэтому способ литья по выплавляемым моделям применяют, прежде всего, в тех случаях, когда необходимо осуществить получение точных по конструкции и размерам отливок из сплавов со специальными свойствами, которые с очень большим трудом обрабатываются режущим инструментом, а также не могут подвергаться обработке давлением (штамповке). К таким отливкам относят лопатки газовых турбин, работающие при высоких температурах газа (900...950 °С), изготавливаемые из специальных жаростой-ких сверхтвердых сплавов. Другим примером может служить турбинное колесо турбокомпрессора, имеющее 18 лопаток сложного профиля, минимальная толщина которых равна (0,8 ±0,2) мм, а отклонение по шагу допускается не более ±0,3 мм. Изготовить подобную деталь методом механической обработки сложно. Похожими на рассмотренную деталь являются насосные крыльчатки или роторы. Для получения подобных деталей способ литья по выплавляемым моделям может оказаться единственно возможным или наиболее оптимальным.

Отливки, выполняемые литьем по выплавляемым моделям, применяют для изготовления разнообразных деталей авиационной и автотракторной промышленности, тяжелого, транспортного и нефтяного машиностроения, приборостроения, а также для деталей подшипников, весов, пресс-форм и штампов, бурового, режущего и измерительного инструмента.

Применение литья по выплавляемым моделям может оказаться рентабельным в условиях мелкосерийного производства, а также для получения опытных образцов деталей, которые при крупносерийном производстве должны изготавливаться другими способами точного литья, требующими дорогостоящей оснастки (литье под давлением, литье в оболочковые формы). В таких случаях рекомендуют снижать затраты на специальную оснастку путем применения гипсовых пресс-форм и разовых полистироловых моделей.

Контрольные вопросы

1. Металлическая форма является одноразовой или многоразовой?

2. В чем заключается основной недостаток металлических форм?

3. Из каких материалов изготавливают стержни для литья в металлические формы?

4. В каких случаях целесообразно применение металлических форм без разъема?

5. Почему при литье в металлические формы толщина стенок отливок должна быть больше, чем при литье в песчано-глинистые формы?

6. При каком типе производства экономически целесообразно применять литье в металлические формы?

7. Из какого материала изготавливают литейные формы для литья под давлением?

8. Каким образом при литье под давлением извлекают из формы готовую отливку?

9. Приведите примеры решения конструкторских задач применением литья под давлением.

10. Заготовки какой массы целесообразно получать литьем под давлением?

11. За счет чего происходит заполнение жидким сплавом литейной формы при центробежном литье?

12. Как распределяется прочность отливки, полученной центробежным литьем, по направлению от центра заготовки к периферии?

13. В каких местах отливок, полученных центробежным литьем, будет повышенная точность, а в каких - пониженная?

14. Какие заготовки, полученные центробежным литьем, не могут быть получены никаким иным способом литья?

15. Какую толщину имеет оболочка при литье в оболочковые формы?

16. Из какого материала изготавливают модели при литье в оболочковые формы?

17. Какова максимальная масса отливки, получаемой литьем в оболочковые формы?

18. Какие факторы определяют эффективность способа литья в оболочковые формы?

19. При каком типе производства экономически целесообразно применение литья в оболочковые формы?

20. За счет чего отливки при литье по выплавляемым моделям имеют высокую точность?

21. Из каких материалов изготавливают выплавляемые модели?

22. Применяют ли стержни для получения отверстий в отливках, полу­чаемых литьем по выплавляемым моделям?

23. За счет чего обеспечивается прочность оболочки формы для литья по выплавляемым моделям?

24. Для каких изделий экономически целесообразно применять литье по выплавляемым моделям

Издавна литьё по выплавляемым моделям пользовалось популярностью. С помощью данной технологии выливались пушки, колокола, античные скульптуры. Технологии сегодняшнего дня значительно усовершенствовались. Они дают возможность сделать детали, которые отличаются сложными конструкциями, малым весом, не требуют механической доработки.

Технология

Этот метод используется для производства изделий из разных сплавов. Обеспечивается показатель качества до ±0,005 мм на каждые 25 мм поверхности. Указанная точность позволяет изготавливать изделия, которые не требуют дополнительной обработки. Залог успешности технологического процесса в том, что модель производится из быстро плавящегося вещества. Используется парафин, воск, канифоль либо их смесь.

Технологический процесс состоит из действий:

1. Производство модели:

• под модель берётся специальная форма из гипса, пластмассы, стали либо чугуна;
• в нее заливается вещество образующее модель;
• необходимо дождаться его полного застывания;
• после этого специальная форма открывается, восковая модель вынимается и помещается в емкость под прохладную воду.

Сборка моделей в блоки:

• для производства качественного изделия модели собираются в простые и сложные блоки, в каждый из них может войти от 2 до 100 штук;
• для увеличения прочности в блочную конструкцию устанавливают алюминиевые стойки;
• их покрывают слоем модельного вещества до 25 мм;
• блочные конструкции объединяются в литниковую систему.

Нанесение на модель огнестойкой оболочки:

• блок собранный из нескольких моделей помещается в емкость, где находится суспензия из керамики (кварцевая пыль, мелкие фракции шамота) и связывающего компонента (этилово силикатного раствора);
• на протяжении суток он сушится в естественной среде, это время можно сократить до 40 минут под воздействием аммиака;
• таким образом, на указанный блок поочередно наносится 46 слоёв огнезащитной оболочки, с тщательной просушкой каждого из них;
• завершенная модель в огнезащитной оболочке помещается в нагретую воду 90°С;
• за несколько минут модельное вещество растает и всплывет на поверхность воды, где оно собирается для следующего применения.

Подготовление формы к заливке:

• пустая оболочка промывается в воде и сушится в шкафу на протяжении 2 часов при 200°С;
• сухая оболочка выставляется вертикально в жаростойкую опоку и по краям уплотняется кварцевым песком, помещается в печь на 2 часа при 950°С;
• в печи испаряется оставшаяся влага, остатки модельного состава выгорают, оболочка спекается с огнеупорным материалом, повышая прочность;
• расплавленный металл заливается в прокаленную горячую форму.

Охлаждение отливки:

• после того, как отливка остыла - оболочка разрушается;
• изделие очищается от ее остатков, для чего поддается химической очистке;
• далее изделие промывается водой и подвергается окончательной сушке.

В итоге, оно подлежит для проведения термической обработки и снятия контрольных мерок. Таким образом изготавливаются отливки необходимого размера и конфигурации.

Литниково-питающая система при литье по выплавляемым моделям

Ее особенности заключаются в следующем:

1. Этот метод продолжительное время используется в литейном производстве, дает возможность делать сложные конструкции, упрощает процесс производства. Система состоит из:

• воронки для литья;
• опоры;
• питателей и зумпфа.

При заливке - струя делится в зумпфе, что уменьшает температурное воздействие. Это положительно влияет на качество отливки. Она применяется в машиностроении и других отраслях промышленности.

2. Могут проявиться следующие недостатки:

• гидродинамический удар способен создать трещины в керамической форме;
• увеличение струи литья может разрушить оболочку;
• завихрения струи могут спровоцировать отслоение элементов и их попадание в структуру готового изделия.

Для предотвращения этого разработано техническое решение по разделу струи горячего металла, что оберегает общую конструкции от преждевременного разрушения.

3. Правильное соотношение между преимуществами и недостатками такой конструкции при осуществлении литья понизит негативное воздействие на 40%. Для этого необходимо сделать следующее:

• модель производится из обычных материалов; на форму наносится определенное количество слоев, защищающих ее от температурного воздействия;
• каждый слой после нанесения должен высохнуть на 100%;
• в период заливки расплавленного металла плавно увеличивается струя.

Это все приводит к увеличению прочности оболочки и понижению воздействия на нее. Простое решение при литье по выплавляемым моделям приводит к использованию системы в промышленных масштабах. Что значительно удешевляет стоимость готовой продукции.

Изготовление выплавляемых моделей

Для этого применяются легкоплавкие составы, которые состоят из парафина, церезина, воска и других компонентов. Эти составы должны иметь свойства:

• температура плавки 60-81,6 °С;
• стабильная линейная усадка и расширение должны свестись к минимуму;
• хорошая текучесть материала;
• хорошая прочность и твердость в застывшем состоянии;
• не прилипать к поверхности, минимальное образование золы;
• не вступать в химические реакции с огнеупорными материалами пресс-формы; отсутствие вредных паров во время нагревания;
• многократное применение;
• малая стоимость комплектующих материалов.

Сущность заключается в том, что модельный материал должен собой заполнить все элементы формы и не допустить ее повреждения. А впоследствии, не нанеся ущерба вытечь из формы, освободив место для металлической заливки.

Операции получения отливки

Существуют особенности литья по выплавляемым моделям при производстве подобных изделий. К ним относятся:

• Расплавленный металл заливается равномерно и постепенно. Это даёт возможность сделать выплавляемые детали с гладким и точным покрытием, которое не будет нуждаться в механической доработке.
• Литьё должно иметь необходимую температуру, для каждого материала она разная.
• Время заливки расплавленного состава будет зависеть от сложности будущей конструкции. Важно это делать постепенно, однако не затягивать процесс слишком долго.
• Чтобы выплавить качественное изделие необходимо осознавать, что тонкие детали кристаллизуются и остывают быстрее чем массивные элементы.
• Чтобы литьё остывало равномерно, форму оснащают специальным теплообменником в виде элементов с повышенной проводимостью тепла. Это может быть чугун либо графит.
• При охлаждении литьё передает свою температуру на форму неравномерно, на ее внутренней стороне температура не отличается от остывающей заготовки.
• Выбивка выплавляемой продукции производится после окончания процесса кристаллизации и полного остывания. Спешка может негативно сказаться на качестве изделия.

Благодаря выплавляемым моделям есть возможность сделать своими силами деталь любой сложности. Это дает возможность усовершенствовать производство необходимых предметов.

Плюсы и минусы процесса

Литьё по выплавляемым моделям имеет свои преимущества:

• отсутствие разъема в форме приводит к повышению точности литья;
• простота действий и дешевизна рабочего процесса;
• возможность сделать огромное разнообразие форм для отливки;
• широкий диапазон размеров и массы отливок;
• дает возможность получить сложные конструкции из любых сплавов;
• высокая точность изделия и чистота поверхностного слоя может исключить необходимость последующей механической обработки;
• оболочка легко разрушается;
• отливки хорошо очищаются от ее остатков.

Присутствуют и недостатки:

• требует осторожности в ходе проведения технологического процесса литья;
• длительность рабочего процесса подготовки формы;
• данное производство является рентабельным только при его массовом применении;
• необходимость проветривания в помещении;
• следует строго придерживаться технике безопасности;
• работа с расплавленным металлом требует особого внимания.

Как видим, литьё по выплавляемым моделям обладает достаточным количеством преимуществ, по этой причине оно широко применяется в различных отраслях машиностроения.

Цеха для литья по выплавляемым моделям находятся во многих самодостаточных заводах. Это позволяет делать качественные детали с большой точностью в короткие сроки, экономя денежные средства.