Глава 16 литье по газифицируемым моделям

Метод литья по газифицируемым (пенополиуретановым) моделям запатентован в 1958 г. в США. Общая технология процесса проста: модель изготовляется из пенопласта с малой плотностью. Окрашенная модель с литниковой системой помещается в опоку, которую заполняют песком или другим опорным материалом. Затем на газифицируемую модель заливают жидкий металл. От тепла металла модель газифицируется, и ее место занимает металл. После охлаждения отливку выбивают, очищают и передают на последующие финишные операции. Такова общая схема технологического процесса. Тем не менее различают два процесса: процесс, применяемый в индивидуальном производстве, и процесс, осуществляемый при серийном и массовом производстве.

При индивидуальном производстве модели изготовляют путем механической обработки плит и блоков с плотностью 0,01—0,03 г/см³, поставляемых промышленностью.

Механическая обработка пенополистирола может производиться на деревообрабатывающем оборудовании. Пенополистирол хорошо обрабатывается проволокой, нагреваемой электрическим током.

Соединение отдельных элементов литейных моделей осуществляется склеиванием, сваркой и спеканием токами высокой частоты.

Применяются различные клеи, которые не разрушают полистирол, не влияют на газификацию модели и на химический состав металла, а также легко выгорают.

Формовка моделей может осуществляться различными способами: трамбованием, встряхиванием, вибрацией. При этом используют песчано-глинистые, жидкостекольные, самотвердеющие, цементные смеси. Одним из преимуществ рассматриваемой технологии является возможность формовки в сухой песок, не содержащий связующего. При этом целостность формы сохраняется за счет того, что песок удерживается металлом, замещающим в форме модель, и парами стирола, которые, проникая в форму, скрепляют между собой частички песка. При плавке металла пенополистирол вначале быстро расплавляется, затем газифицируется и воспламеняется. Горение паров стирола сопровождается выделением копоти и продуктов разложения модели. При литье в закрытую форму, т. е. без доступа воздуха, горения не происходит. Пенополистирол только плавится и газифицируется, а пары стирола, проникая в форму, конденсируются в ней. Таким образом, в отличие от других методов литья при литье по газифицируемым моделям (моделям из пенопласта) создаются условия, позволяющие не удалять модель из формы перед заливкой. В некоторых случаях модели из пенопласта перед заливкой металла удаляются из формы путем выжигания, возгонки, растворения и т. д.

Благодаря сравнительной простоте механической обработки полистирола и изготовления моделей из этого материала литье по газифицируемым моделям нашло применение для изготовления художественных отливок. Эту технологию целесообразно использовать, когда необходимо изготовить единичный экземпляр несложной по конфигурации отливки, например фирменной или мемориальной доски, различных накладок с несложным орнаментом и т. п.

Процесс, осуществляемый в серийном и массовом производстве, отличается от индивидуального производства. Для изготовления моделей используют гранулы полистирола, которые готовят путем полимеризации стирола с одновременным введением в состав низкокипящих компонентов. Это позволяет при нагреве гранул до 80—100 °C получить пористый полистирол. Одной из важных характеристик гранул суспензионного полистирола, определяющей его свойства и режим переработки, является молекулярная масса. С увеличением молекулярной массы повышается механическая прочность и теплостойкость полистирола. Молекулярная масса может составлять от 30 000 до 60 000.

Для изготовления литейных моделей гранулы полистирола, как правило, подвергаются предварительному подвспениванию — нагреву, который сопровождается ростом гранул. Предварительным процесс называют потому, что его прерывают и продолжают в дальнейшем при оформлении моделей в пеноформах. При вторичном нагревании гранулы, расширяясь, заполняют все промежутки и пустоты в пеноформе и спекаются между собой под влиянием возникшего давления. В качестве источника нагрева используются горячая вода, водные растворы солей, паровоздушная смесь, токи высокой частоты, горячий воздух.

Как сообщалось, изготовление литейных моделей методом вспенивания в пеноформах осуществляется при серийном и массовом производстве. Однако вышеописанный процесс получения газифицируемых моделей из плит пенопласта путем механической обработки также часто применяется в серийном производстве.

Преимущества процесса:

а) неразъемность модели и отсутствие операции извлечения моделей приводят к увеличению точности, так как отпадает необходимость в уклонах и галтелях;

б) отсутствие стержней в форме исключает необходимость стержневых ящиков;

в) возможность изготовления крупногабаритных отливок;

г) отсутствие модельной и стержневой оснастки для единичных отливок.

Недостатки процесса:

а) малая чистота поверхности отливок, особенно в верхних горизонтальных частях отливки;

б) сильное газообразование с вредными выделениями.

Для улучшения качества поверхности отливок модель иногда окрашивают составами с огнеупорными порошками.

Одной из разновидностей литья по газифицируемым моделям является литье в магнитные формы. При литье в магнитные формы операции, связанные с изготовлением моделей, исправлением моделей, исправлением дефектов на поверхности модели, монтаж модельных блоков и окрашивание моделей осуществляются аналогично технологическому процессу литья по газифицируемым моделям.

Отличается процесс по газифицируемым моделям от литья в магнитные формы формовкой модели, материалом, в котором производится формовка, и оборудованием.

Формовка производится в установке, имеющей контейнер, расположенный между двумя полюсами магнита (рис. 2.16.1).

Рис. 2.16.1. Установка для формовки: 1 — полюс магнита; 2 — стойка вращающегося контейнера; 3 — контейнер из листового дюралюмина; 4 — порошок АРМКО-железо (технически чистое железо); 5 — подставка установки; 6 — модель из листов вспененного полистирола; 7 — конвейер.

Технологический процесс формовки осуществляется следующим образом. В контейнер из немагнитного листового дюралюмина (h < 2 мм) (п. 3) устанавливается модель с литниковой системой, выполненной из вспененного полистирола (п. 6). Модель устанавливают так, чтобы исключались поднутрения со стороны засыпки порошка АРМКО-железа (п. 4). Литниковая система, как и при литье по газифицируемым моделям, облицовывается огнеупорной краской. При засыпке АРМКО-железа контейнер подвергается вибрации. После уплотнения контейнера включают электромагнит и поджигают выступающую чашу модели.

Пенополистирол выгорает, а форма не разрушается, поскольку удерживается магнитным полем.

После выгорания модели производится заливка в магнитном поле художественной отливки. После кристаллизации отливки электромагнит (п. 1) выключается, контейнер поворачивается на 180° и отливка с металлическим формовочным материалом вываливается из контейнера и попадает на конвейер, который транспортирует АРМКО-железо к пневмотранспорту. С помощью пневмотранспорта формовочный пневматический материал возвращается для формовки следующей модели. Отливка с литниковой системой укладывается в контейнер.

В последние годы разрабатывается процесс литья в магнитные формы, в котором металл заливают на модель. Под действием высокой температуры жидкого металла модель выгорает, и ее место занимает заливаемый металл. Однако из-за встречных потоков металла и газов от модели отливка получается насыщенной порами, которые в художественном литье недопустимы.