9.4.Титан

Литье по выплавляемым моделям получило широкое распространение. Технологический процесс для титанового литья в основном подобен процессу изготовления форм для стального литья.

Для изготовления форм применяют огнеупорные материалы — графит, электрокорунд, кокс.

Для изготовления моделей применяют те же модельные составы, что и для стального литья: ПС-50-50, Р-2, Р-З, КПсЦ, ВИАМ-102 и др. Состав и технологические свойства модельных составов приведены в табл. 27.

Таблица 27 .

Модельные составы для титановых сплавов и их свойства

Состав	парафин	церезин	стеарин	Буроугольный воск	Торфяной воск	канифоль	полистироль	Другие компоненты		Tпл,оС	Tп.с.,оС	Ϭизг, МПа	Ϭв, МПа	Линейная усадка, %	Зольность,%
ПС 50-50	50	-	50	-	-	-	-	-		47,5	43	2,0	1,0	0,8	0,05
Р3	59	25	-	12	-	-	-	5		79	58	2,7	1,3	1,1	0,1
КПсЦ 50-30-20	-	20	-	-	-	50	30	-		140	-	7,7	3,8	1,0	0,03
ВИАМ 102	20	-	-	50	25	-	-	5		80	53	3,8	-	0,9	0,25
КбБк 98-2	Карбамид - 98%, борная кислота – 2 %								120		-	4,0	-	-	-

Приготовление пастообразных модельных составов ведут в специальных установках с лопастным поршневым или шестеренчатым смесителями. Готовая масса подается в пресс-машину, где запрессовывается в пресс-форму. Полученные восковые модели собирают в модельные блоки с литниковой системой, обезжиривают и окрашивают. Для окраски применяют три вида суспензий: на электрокорунде со связкой на основе гидролизованного этилсиликата, графитовую и коксовую, где в качестве связующего используют фенолформальдегидные смолы, а в качестве катализатора — кислоты.

Электрокорундовые формы для литья титана применяют ограниченно, так как жидкий титан взаимодействует с формой и на поверхности отливок образуется газонасыщенный слой. Для уменьшения загрязнения металла примесями содержание Si0₂ в суспензии не должно превышать 10—11 %. Использование суспензии, применяемой для изготовления форм стального литья и содержащей 18 % SiО₂, приводит к значительному повышению содержания кислорода, кремния и других элементов в металле отливки.

В приготовленный гидролизованный раствор этилсиликата вводят смесь порошков электрокорунда, %: 20—микропорошок № М7, М10 или М14; 40 — шлифпорошок № 3; 40 —шлифпорошок № 4.

Соотношение гидролизованного раствора этилсиликата и порошков электрокорунда составляет 400—450 см³ на 1 кг порошков. Приготовленную керамическую суспензию выдерживают в течение 2—3 ч до удаления пузырьков воздуха и затем наносят на восковую модель. В качестве присыпочного материала применяют электрокорунд № 32, 40, 63 и 80.

Послойную сушку оболочки проводят на воздухе или в вакуумно-аммиачных камерах. После нанесения необходимого количества слоев модельную массу удаляют из формы, а форму подвергают тепловой обработке. Обжиг форм ведут в печах с воздушной средой при 970—1000 °С с выдержкой 2—3 ч.

Наибольшее распространение для литья титановых отливок получили графитовые формы, так как они лучше других противостоят взаимодействию с жидким титаном.

Суспензию для графитовых форм готовят на основе фенолоформальдегидных смол или фенольнобаритовых, которые разводят спиртом до плотности 0,95—0,96 г/см³ и в указанный раствор вводятся порошки графита следующего состава, %: 20—25 —сухой коллоидальный графит; 75—-80 —графитовые порошки марок ГМЗ, ЭК зернистостью 0,03—0,1.

Огнеупорная суспензия на основе графита содержит следующие компоненты, %: 20—25—связующее—смола ВИАМ; 7—9 - отвердитель контакт Петрова; 30—36 —растворитель —этиловый спирт; остальное — наполнитель — графитовый порошок.

Графитовые порошки перед применением необходимо просушить при 150—180 °С для удаления влаги.

Суспензию приготавливают в следующей последовательности: порошки тщательно перемешивают со спиртово-смоляным раствором, после чего в суспензию вводят отвердитель. Готовая суспензия должна иметь плотность 1,15—1,2 г/см³. Для первых двух слоев плотность должна составлять 1,18—1,2 г/см³, последующих 1,15— 1,17 г/см³. Для создания оболочки на модель с суспензией наносят графитовые порошки зернистостью 0,1—1,5 мм. Для 1—3-го слоев используют порошки зернистостью 0,1—0,5 мм, а для последующих 0,6—1,5 мм. После нанесения заданного количества слоев модельную массу выплавляют и оболочки подвергают тепловой обработке.

Обжиг графитовых форм ведут в две стадии. Первую стадию проводят в печах типа Ц-105 с графитовым затвором или в контейнерах при 800—850 °С. Графитовый затвор предотвращает попадание воздуха в зону форм и исключает окисление графитовой оболочки. Вторую стадию ведут в вакуумных печах с индукционным нагревом типа УПФ-841 или ОКБ-749. Графитовые формы, прошедшие высокотемпературную обработку, обеспечивают наилучшее качество поверхности отливок и наименьшую глубину газонасыщенного слоя. Эти формы широко применяют для литья ответственных деталей.

Одним из недефицитных материалов для изготовления форм по выплавляемым моделям является кокс. Кокс имеет хорошие физико-механические свойства и сравнительно невысокую стоимость.

При изготовлении коксовых форм суспензию также готовят на основе кокса. Технология изготовления оболочковых коксовых форм по выплавляемым моделям аналогична технологии изготовления графитовых форм за исключением обжига. Высокотемпературный обжиг коксовых форм проводят при 1300—1500 °С. Это связано с тем, что в связующем веществе и материале обсыпки до температуры 1600 °С сохраняется структура кокса. При повышении температуры кокс начинает превращаться в графит, что вызывает возникновение в форме дополнительных напряжений, приводящих к образованию микротрещин и снижению ее прочности.

Мероприятия по повышению химической инертности форм

Формы для литья титановых сплавов обладают недостаточной химической инертностью. В результате в период затвердевания и охлаждения металла между отливкой и формой развиваются физико-химические процессы, которые приводят к увеличению содержания вредных примесей (кислорода, азота, водорода, углерода и др.) в металле отливки и, особенно, в ее поверхностном слое. Примеси увеличивают твердость, прочность металла и резко снижают пластические характеристики. Значительно снижается предел усталости, заметно ухудшаются эксплуатационные характеристики литых деталей. Повышенное содержание примесей в металле не позволяет в большинстве случаев использовать для повторной переплавки литейные отходы, так как примеси, за исключением водорода, не удаляются из металла при его расплавлении.

Поэтому одной из основных проблем фасонного литья из титановых сплавов является разработка технологических мероприятий, способствующих повышению инертности литейных форм. Часть таких мероприятий в настоящее время используется в промышленности, часть — находится в стадии разработок.

Углеродные материалы по сравнению с керамическими являются более инертными по отношению к титану. Однако, обладая развитой пористостью, они сорбируют значительное количество газов. При нагреве формы затвердевающим металлом эти газы выделяются из формы и вступают в химическое взаимодействие с металлом отливки. Кроме того, значительное количество газов выделяется из формы за счет термодеструкции связующего вещества — фенолформальдегидной смолы (бакелитового лака). В процессе обжига форм (800— 1000 °С) фенолформальдегидная смола превращается в кокс, который прочно соединяет зерна графита. В структуре кокса содержатся радикалы —ОН, —Н.

Так как поверхностные слои формы нагреваются до высоких температур (1200—-1600 °С), происходит термодеструкция кокса, которая сопровождается выделением значительного количества газов. Поэтому с ростом содержания связующего вещества газосодержание углеродных форм возрастает. Наибольшее количество связующего вещества содержится в графитовых формах, изготовляемых по выплавляемым моделям, а наименьшее — в прессованных графитовых формах.

Инертность углеродных форм можно повысить путем технологических мероприятий, способствующих более низкому газосодержанию литейных форм. Так, повышение температуры обжига с 1000 до 1500—1800 °С, уменьшение содержания связующего вещества в формовочной смеси, исключение контакта обожженной формы с атмосферой воздуха, на этапе ее подготовки к заливке и т, д. значительно уменьшают газотворность • форм.

В случае изготовления отливок в керамических формах получают развитие обменные химические реакции титана с материалом литейной формы, а также с газообразными продуктами, выделяющимися из формы при ее нагреве (диссоциация оксидов, испарение компонентов и др)

С целью повышения инертности применяют комбинированные (многослойные) формы, внутренний (рабочий) слой которых обладает определенными свойствами, снижающими загрязнение металла отливки примесями в период ее формирования. Рабочий слой многослойной формы может быть получен следующими путями:

1) нанесением на рабочую поверхность формы защитного покрытия;

2) пропиткой поверхностного слоя форм ингибиторами;

3) введением в формовочную смесь, предназначенную для изготовления облицовочного слоя, специальных веществ;

4) изготовлением облицовочного слоя из наиболее инертных материалов.

Наибольшее распространение получил первый метод. Защитные покрытия классифицируют по функциональному назначению и по роду материала, из которого они 'изготовлены. По функциональному назначению защитные покрытия подразделяют на барьерные и газозащитные. Барьерные покрытия наносят на рабочую поверхность литейной формы. Они предотвращают непосредственный контакт металла отливки с основным материалом формы, а сами слабо реагируют с титаном и материалом формы. Эти покрытия предотвращают химическое взаимодействие конденсированных веществ, входящих в состав формы, с отливкой, но не предохраняют металл от взаимодействия с газами, выделяющимися из формы при ее нагреве заливаемым металлом. В зависимости от метода нанесения материал покрытия может проникать в поры литейной формы на определенную толщину.

Газозащитные покрытия также наносят на рабочую поверхность литейной формы. Такие покрытия, во-первых, выполняют функции барьерных, т. е. предотвращают непосредственный контакт расплава с основным материалом формы, и, во-вторых, препятствуют взаимодействию отливки с газами, выделяющимися из формы.

Освоен и находит применение метод нанесения пироуглеродного покрытия на керамические (корундовые) формы, получаемые по выплавляемым моделям. Пироуглеродное покрытие получают путем термического разложения метана, пропан-бутана и других углеводородных газов. Углеводородный газ, попадая в зону высоких температур (более 900 °С), подвергается пиролизу с образованием пироуглерода, который осаждается в порах и на поверхности нагретых керамических форм. Разработаны различные технологические варианты осаждения пироуглерода: продувка газа через внутреннюю полость литейной формы, принудительная фильтрация газа через пористую стенку литейной формы при внешнем омывании газа, осаждение пироуглерода в вакууме и др.

Исследованиями В. М. Александрова и др. выявлены определенные преимущества способа нанесения пироуглеродного покрытия. Обсыпают кварцевый песок II. Собранный реактор помещают в печь разогретую до 940—980 °С. Через 40—60 мин реактор соединяют '( газовой магистралью и в течение 3—5 мин продувают аргоном, Затем подают пропан концентрацией до 70 %.

Продолжительность процесса зависит от толщины стенки отливок и составляет 40—90 мин. Через указанное время отключают линию пропана, а спустя 3—5 мин — линию аргона. Реактор из печи переставляют в охладительный кожух, через 30 мин его разбирают и повторно подготавливают к работе. За смену процесс может повторяться 3 раза, а при изготовлении установки непрерывного действия 6—7 раз.

Весьма перспективным является процесс нанесения на керамические формы металлических покрытий, а также покрытий, путем полной объемной пропитки формы при внешнем омывании формы углеродными газами.

На рис. 23 показан реактор для обработки форм углеводородными газами. Он состоит из цилиндрического корпуса с затвором /, крышки 2, трубы для подачи газа 3, турбулизирующей сетки с опорой 4, трубы 5 для отвода продуктов реакции из внутренних полостей форм 6', стакана 7 для установки форм, чехла для термопары 8, перепускного клапана 9. Все элементы, за исключением корпуса, жестко соединены с крышкой в единый блок. При подготовке к работе блок извлекают из корпуса, газовые трубы продувают сжатым воздухом, в стаканы устанавливают прокаленные формы и изолируют внешние стенки от внутренних набивкой смеси 10.

Рис. 23. Реактор для обработки форм углеводородными газами

Затем блок с формами устанавливают обратно в корпус реактора.

Список литературы

1. Технология литейного производства, учебник, / Б.С.Чуркин, Э.Б.Гофман, С.Г.Майзель и др.; под ред. Б.С.Чуркина, Екатеринбург: Изд-во Урал. Гос. Проф. –пед. Ун-та, 2000. 662 с.

2. Трухов А.П., Сорокин Ю. А., Ершов М. Ю. и др. Технология литейного производства: Литье в песчаные формы, Учебник, Под ред. А.П.Трухова, М., Изд. Центр «Академия», 2005, 528 с.

3. Кокуй Д.М., Скворцов В.А., Эктова В.Н. Теория и технология литейного производства., Мн., Дизайн ПРО, 2000., 416 с.

4. Минаев А.А., Сазонов В.А. Вакуумная формовка. — М.: Машиностроение, 1984. — 200 с.

5. Шуляк В.С., Литье по газифицируемым моделям, СПб, НПО «Профессионал», 2007, 40 с.