3 Плавильно-заливочное оборудование

Физико-химические свойства титановых сплавов, их высокая реакционная активность в расплавленном состоянии обуславливают ряд требований к плавильным печам. Эти специфические требования могут быть сформулированы следующим образом :

1) Использование источников тепла , обеспечивающих высокую температуру расплавляемого металла путем подвода непосредственно к нему тепловых потоков большой плотности и не вносящих в атмосферу печи или непосредственно в расплав посторонних продуктов.

2)Создание в печи вакуума или защитной атмосферы на этапах нагрева , плавления , заливки металла в литейную форму, затвердевание и охлаждения отливки.

3)Отсутствие контакта жидкого металла с элементами конструкции установки.

В производстве отливок из титановых сплавов наибольшее применение получили вакуумные дуговые гарнисажные печи. В настоящее время известны печи, отличающиеся большим многообразием конструкций, с разными габаритами, степенью механизации и производительностью. Дуговая гарнисажная печь является частью плавильно-заливочной установки. В ее состав входят также заливочная камера с устройствами , обеспечивающими размещение и заполнение форм металлом; механизмы загрузки и выгрузки форм ; стенд приварки расходуемого электрода ; вакуумная система и т.д. Режимы гарнисажной плавки титановых сплавов должны удовлетворять технологическим требованиям получения заданных отливок. Эти требования могут быть выражены следующими количественными параметрами :

1)количеством наплавленного металла , которое должно быть равно черновой массе отливок , получаемых за рабочий цикл плавильно –заливочной установки;

2)количеством кусковой шихты ( литейных отходов ), вводимой в материальный баланс плавки путем ее загрузки в гарнисажный тигель, что определяется характерным для электрической дуги в вакууме , а также допустимым повышением содержания примесей в металле отливок вследствие введения отходов;

3)температурой наплавленного металла, которая зависит от конфигурации , размеров отливок и способа их заливки , а также физико-механического взаимодействия титана с материалом формы;

4)допустимой толщиной гарнисажа на боковой стенке и дне тигля, предотвращающей загрязнение ванны материалом тигля ( например углеродом при плавке в графитовом тигле) и не снижающей коэффициента слива металла.

В современных вакуумных дуговых печах для выплавки слитков и в гарнисажных печах для фасонного литья применяют три основные группы устройств, обеспечивающих управление процессом плавки : регуляторы силы тока дуги, регуляторы длины дугового промежутка и устройства защит, блокировок и управления вспомогательными операциями.

4 Формовочные материалы для титанового литья

Высокая химическая активность титановых сплавов в жидком состоянии,

а также высокая температура плавления и литья титана предъявляют особые

требования к литейным формам. Последние должны обладать химической стойкостью по отношению к расплавленному титану и высокой огнеупорностью. Химическая стойкость литейных форм обеспечивается выбором соответствующих исходных формовочных материалов и принятым технологическим процессом изготовления форм и их подготовки к заливке (технологические режимы сушки, обжига, хранения форм, степень их дегазации и т.д.).

Кроме того, литейные формы для титанового литья должны обладать минимальной склонностью к изменению размеров в процессе обжига форм, необходимой механической прочностью, отвечать требованиям технологии приготовления формовочной и стержневой смесей, технологии изготовления форм и стержней, условиям выбивки форм и стержней и т.д.

Формовочные смеси, применяемые для изготовления литейных форм, состоят из огнеупорной основы, связующего вещества и вспомогательных материалов. В качестве огнеупорной основы формовочных смесей для титанового литья используют углеродные материалы (графит, кокс, пироуглерод) или керамические материалы (огнеупорные окислы, а также карбиды, нитриды и бориды).

Наибольшей химической стойкостью по отношению к титану обладают формы на основе углеродных материалов. Они нашли широкое применение как в отечественной , так и в зарубежной практике. Недостатком являются неудовлетворительные санитарно-гигиенические условия работы с ними, их дефицитность и др. Углеродные формовочные смеси применяют для изготовления набивных , прессованных , оболочковых форм и форм , получаемых по выплавляемым моделям.

В качестве материалов для форм при литье титана используются тугоплавкие окислы ( магнезит , электрокорунд, двуокись циркония ) , графит, кокс или металлические материалы ( преимущественно сталь ). Связующим служат этилсиликат , жидкое стекло и размягченные смолы. По технологии изготовления формы делятся на пять видов : корковые по выплавляемым моделям , оболочковые , набивные , прессованные и стальные кокили , изготовленные путем механической обработки .

Для изготовления литейных форм уплотнением (послойная набивка, встряхивание, прессование) в основном используют углеродные формовочные смеси, где в качестве огнеупорного материала применяют графитовый порошок заданного гранулометрического состава. В качестве связующего вещества в графитовых формовочных смесях применяют синтетические смолы. Главное преимущество заключается в том , что формы , изготовленные из графитовых смесей , обладают высокой термохимической стойкостью и огнеупорностью.

Для получения отливок сложной конфигурации , а также отливок , имеющих значительные габаритные размеры , используют формы , собранные из отдельных элементов (стержней). Стержни изготовляют преимущественно путем послойного уплотнения (набивки) формовочной смеси в металлических или деревянных ящиках. Наибольшая эффективность при изготовлении форм прессованием достигается при получении деталей отливок несложной конфигурации с отношением их высоты к максимальному размеру в поперечном направлении не более 0,8. Обычно такие отливки получают в двух полуформах с двумя (не более) стержнями.

Процесс изготовления форм прессованием имеет преимущества по сравнению с встряхиванием и ручной набивкой. Он позволяет повысить чистоту рабочей поверхности и увеличить прочность форм, что важно при центробежном способе литья отливок. Высокая производительность и достаточно хорошие санитарно-гигиенические условия труда - характерные особенности процесса. Процесс изготовления уплотняемых формовочных смесей включает следующие операции:

1)приготовление порошка графита и его рассев на фракции;

2)приготовление связующего вещества и других вспомогательных материалов;

3)перемешивание графитового порошка в бегунах (смесителях) и введение связующего вещества;

4)контроль свойств смеси в сыром состоянии;

5)вылеживание смесей горячего отверждения (смеси холодного отверждения подаются после введения катализатора на формовку).

Смеси горячего отверждения после приготовления направляются либо на формовку (с предварительным вылеживанием 1-3ч), либо в закрытый бункер где они могут храниться в течении 1-3 сут. Формы и стержни , изготовленные из холоднотвердеющих смесей, после уплотнения выдерживают в оснастке до полного затвердевания (20-60 мин.), а затем извлекают. После отверждения формы и стержни направляют на тепловую обработку: сушку и обжиг для полного удаления влаги и повышения прочности. Сушку и обжиг форм и стержней производят в электрических печах. Нагрев осуществляют по определенному режиму. После обжига формы и стержни охлаждают до 200°С вместе с печью, а затем на воздухе. После контроля собранную форму направляют на заливку.

Метод литья фасонных отливок в оболочковые формы, изготавливаемые по разъемным металлическим моделям, находит широкое применение. Метод имеет ряд преимуществ:

1) высокая степень механизации и автоматизации технологического процесса

2) относительно небольшой расход формовочных материалов;

3) невысокие капитальные затраты на оборудование и оснастку;

4) высокая производительность;

5) достаточно хорошие точность литейных размеров и чистота поверхности отливок.

Для изготовления оболочковых форм применяют песчано-смоляные формовочные смеси, где в качестве огнеупорного формовочного материала используют в основном кварцевые, а также цирконовые пески.

Технологический процесс изготовления оболочковых форм состоит из

следующих операций: приготовления исходных материалов и формовочной

смеси, подготовки модельной оснастки; изготовления оболочки, отверждения оболочковых полуформ и стержней, снятия оболочковых полуформ и стержней с модельной оснастки; высокотемпературной тепловой обработки (обжиг) оболочковых полуформ и стержней, сборку форм и подготовку их под заливку жидким металлом. Основными операциями , определяющими процесс изготовления оболочковых форм и их свойства , являются: приготовление формовочной смеси , формирование и отверждение оболочки , тепловая обработка оболочки. Для предотвращения коробления оболочек при тепловой обработке их жестко скрепляют друг с другом струбцинами и болтами. После тепловой обработки оболочки контролируют , производят сборку и установку в заливочный контейнер.

Литье титановых сплавов в формы, получаемые по выплавляемым моде-

лям, применяют в основном для сложных по конфигурации и тонкостенных

отливок. Метод позволяет максимально приблизить заготовку к готовой дета-

ли, а ряде случаев получать литую деталь, не требующую какой-либо допол-

нительной обработки. Вследствие этого резко снижается трудоемкость и сто-

имость изготовления деталей.

Для изготовления форм по выплавляемым моделям, предназначенных для

титанового литья, используют электрокорунд, графит, кокс. Технологический

процесс изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям состоит

из следующих основных операций:

1) приготовление модельного состава и изготовление моделей отливок;

2) сборки моделей в блоки;

3) приготовления суспензии для покраски моделей;

4) нанесения суспензии на модели и обсыпки их порошком;

5) послойной сушки;

6) удаления модельного состава из формы;

7) обжига форм;

8) сборки форм в контейнере и его установки в плавильно- заливочную установку.

Для изготовления моделей применяют модельные составы. К ним относится состав ПС-50-50 на основе парафина и стеарина, который имеет малую зольность, хорошо смачивается суспензией и имеет высокие реологические свойства в пастообразном состоянии, прост в изготовлении. Для изготовления моделей повышенной точности и больших размеров применяют канифолеполистирольные составы с добавками церезина (КПсЦ), парафина (КПсП) и др.

При выполнении различных пазов , сложных поднутрений или отверстий в восковых моделях используют водорастворимый стержневой состав на основе технической мочевины (карбамида), куда в качестве пластификатора вводят до 3% борной кислоты. Основными недостатками карбамидных стержней является их гигроскопичность и неудовлетворительная спаиваемость.

Приготовлении пастообразных модельных составов ведут в специальных установках с лопастным, поршневым или шестеренчатым смесителями. Готовую массу подают в пресс-машину , где она запрессовывается в пресс-форму. Полученные восковые модели собираются в модельные блоки с литниковой системой, обезжиривают и направляют на окраску. Послойную сушку оболочек проводят на воздухе или 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. Чтобы уменьшить взаимодействие электрокорундовых форм с титаном , на них наносят покрытия из пироуглерода, ряда металлов и солей.[1]

Графитовые формы наиболее широко применяют для литья титановых сплавов, так как они лучше других противостоят взаимодействию с жидким титаном. При этом отливки получаются высокого качества и имеют хороший товарный вид.