Н.Д. Феклин, директор ООО «ДИНУС-Сталь», г. Луганск. Анализ причин низкого качества отливок при ЛГМ. Способ устранения причин

В четвертом номере журнала «Вестник арматуростроителя» Николай Феклин, директор ООО «ДИНУС-Сталь», представил анализ причин низкого качества отливок при ЛГМ. 

При строительстве новых и реконструкции старых литейных цехов выбор технологических процессов и оборудования, как правило, должен производиться на базе составляющих возможностей технологий, отвечающих техническим требованиям к выпускаемым отливкам и существующим условиям их производства. Между тем технологии, обладающие таким потенциалом, но принципиально отличающиеся от привычного восприятия происходящих в форме процессов, часто становятся невостребованными. Приоритетом использования становятся другие, может, не столь подходящие по характеристикам, но понятные и раскрученные, не требующие изучения чего-то кардинально нового.

В отсутствие опытных специалистов, влияющих на процесс принятия решений по внедрению той или иной технологии, решения принимает, как правило, собственник (руководитель) на основе существующих информационных материалов, демонстрационных презентаций продавца и сумм предстоящих трат. Такие производства нередко обречены на постоянный поиск решений по устранению проблем с качеством продукции.

В 1963 году инженер А. Р. Чудновский начал работы по применению моделей из пенополистирола, что послужило началом внедрения и использования высокоперспективной технологии литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) в России. Исходя из публикуемых материалов, на сегодняшний день отливки при ЛГМ по точности достигли отливок по выплавляемым моделям, а по уровню затрат сопоставимы с литьем в землю. Повышенный интерес к такому доступному производству, его признание на всех уровнях от НИИ до небольших производств привели к основательному изучению технологии и повсеместному внедрению.

Действительно, на первый взгляд, что может быть проще и понятнее производства отливок путем заливки песчаной формы, без связующего, с моделью из пенополистирола, расплавом металла (рис. 1)? Расплав подается в форму, где за счет термической деструкции пенополистирола происходит замещение модели металлом, который точно копирует ее форму. Простые модели можно вырезать вручную, да и организовать производство более сложных моделей не является чем-то труднодоступным и малопонятным, но вот с качеством отливок оказалось не все так просто.

Использование пенополистирольных моделей с газоотводными каналами (рис. 2) позволило улучшить регуляцию внутреннего давления, но они применимы только для толстостенных отливок и не устраняют процесс загрязнения металла продуктами разложения модели.

Рассмотрим процессы, происходящие при литье по газифицируемым моделям.

При термическом разложении модельного блока, например весом 1 кг, от поступающего в форму расплава образуется 0,23–0,32 куб. м газообразных продуктов, которые должны за счет вакуума в теле формы через слой антипригарного покрытия вывестись из нее. Оптимальная скорость подъема металла в полости формы при толщине отливки 40 мм составляет 30 мм/с. При высоте модели 800 мм время заливки составит 27 с. Исходя из этого, за 27 с вакуумная система должна позволить откачать этот объем газов. Слой антипригарного покрытия, через который проходят образовавшиеся газы, имеет свою неоднородную газопроницаемость. При этом площадь поверхности антипригарного покрытия, через которую фактически проходят газы, ограничена и зависит от высоты освободившейся полости формы при термической деструкции модели – от зеркала металла в форме до низа неразложившегося пенополистирола. Чем выше давление расплава в форме, тем меньше площадь поверхности, через которую проходят газы. Кроме этого, продукты деструкции модели, попадая внутрь тела формы через поры покрытия, конденсируются на зернах формовочного песка и при дальнейшем нагреве формы приводят к дополнительному, более значительному выделению газов. Поэтому при ЛГМ невозможно создать условия гарантированного удаления образовывающихся газов из формы, даже при многократном увеличении производительности вакуумных насосов, так как проходное сечение каналов антипригарного покрытия ограничено. Часть газов через форму попадает в цех. Последующее дожигание газов в реальном производстве не решает полностью проблему экологической безопасности такого производства.

Использования сифонного способа подвода расплава в форму дало положительный результат при производстве мелких, неответственных отливок, где незначительные объемы пенополистирольных моделей при испарении не успевают существенно воздействовать на форму (рис. 3). Использование высоких стояков (рис. 4) позволило создать повышенное давление металла в каналах формы, благоприятно влияя на процесс заполнения им полости моделей, но привело к неоправданным издержкам производства, связанным с увеличением оборота формовочного песка и расхода жидкого металла, но не решило всех проблем с качеством продукции.

Производство более габаритных отливок с учетом более длительного заполнения форм металлом и колебаний давлений внутри ее полости, что отрицательно влияло на весь процесс формирования отливки, привело к необходимости распределения потока расплава на разные уровни (рис. 5), но создало условия хаотического заполнения им формы. Отработаны и используются разные технологические решения по литниковой системе для изготовления определенных видов отливок, такие как подача расплава только сверху (рис. 6), сбоку (рис. 7), распределенная (рис. 8) и т. п., позволивших получать неответственные изделия удовлетворительного качества, а ответственные с большим процентом брака и колоссальным объемом доработок. При избыточном давлении газы через не полностью заполненные верхние литниковые каналы и стояк, совместно с брызгами металла, нередко вырываются наружу, снижая внутреннее предельно допустимое давление, негативно воздействуя на стенки полости формы. При этом достигнуто главное – пенополистирольную модель в большинстве случаев полностью замещает металл и детали по форме и размерам соответствуют заданным параметрам. К сожалению, такие отливки чаще всего имеют повышенную дефектность по плотности металла, по химическому составу, по раковинам и т. д.

Работы по устранению первопричин некачественного литья при ЛГМ, проводимые на уровне всевозможных НИИ, предприятий и специализированных организаций, не дали и, к сожалению, не дадут существенных стабильных результатов до устранения одной из главных особенностей технологии – «заливки расплава металла непосредственно в пенополистирольный модельный блок».

Устранение причин низкого качества отливок за счет удаления пенополистирольной модели из вакуумируемой формы проводилось путем:
• выжигания моделей с введением в полость формы окислителя, что для формы из сухого песка и вакуума как связующей основы при обильном выделении газов, резких скачках давления и температуры внутри формы явилось неприемлемым. Снижалась прочность формы, что существенно влияло на размывание стенок формы жидким металлом;
• химического растворения модели, что приводило к образованию гелеобразной составляющей внутри полости формы, удаление которой требовало выполнения ряда дополнительных операций. Часть растворителя через антипригарное покрытие проникала в тело формы и попадала в вакуумную систему. Существующий ряд растворителей, а это ацетон, ксилол, бензин и другие, обладает повышенной взрывоопасностью и токсичностью, что требовало дополнительной эффективной системы очистки выходящих газов. Как и при выжигании моделей, так и при химическом ее растворении прочность формы снижалась.

В классической технологии литья по газифицированным моделям термическое удаление модели как отдельная операция обычно не применяется.

Существует способ тепловой деформации пенополистирола (однофазное преобразование), позволяющий перевести большую часть модельного блока в жидкообразное, вязкое состояние без добавления растворителя, с формированием прочной оболочки в стенках полости формы.

В процессе нагрева модельного блока от 240 °С до 340 °С под действием температуры горячего воздуха пенополистирол переходит из твердого состояния в вязкотекучее без какого-либо газообразования. В этом случае образовавшаяся гелеобразная масса разложения модели под действием вакуума через поры антипригарного покрытия просачивается в стенки полости формы и конденсируется на холодных зернах формовочного песка. Образуется прочная стекловидная корка склеившегося песка толщиной 5–10 мм. Высокая прочность образовавшейся корки позволяет сохранять целостность формы даже при отключении вакуума. При этом полость, занятая модельным блоком, освобождается от пенополистирола.

Литье в такие формы по сути приближается к литью по выплавляемым моделям. Недостатками такого метода являются:
• невозможность равномерного воздействия тепла на модели сложных форм, особенно их составляющих, находящихся в отдалении от движения потока горячего воздуха, что может приводить к неполному преобразованию пенополистирола;
• остаточные застывшие стеклообразные части растворившейся модели на стенках формы;
• возможный перегрев формы выше 340 °С, что может привести к выделению вредных газов в процессе термического воздействия;
• незначительная газопроницаемость антипригарного покрытия, влияющая на возможность отсоса жидкого полистирола.

При всем этом стояк и примыкающие к нему литниковые каналы, попадающие под прямой поток горячего воздуха, будут полностью очищены от полистирола, что позволит производить заливку металла в пустотелый стояк, без контакта с материалом модели.

Специальная система щелевых литниковых каналов, одновременно выполняющая роль вентиляционных, в совокупности с пустотелым стояком создает условия постоянного перераспределения металла, поступающего в форму, в верхний слой. Складываются условия для направленной кристаллизации отливок.

Использование метода однофазного преобразования пенополистирола в вязкотекучее состояние при термическом воздействии в вакуумируемой форме и применении системы щелевых каналов позволяет создавать условия формирования отливок, приближенных по качеству к литью по выплавляемым моделям, но при существенно меньших затратах. В сравнении с классической технологией литья по газифицируемым моделям качество отливок, объемы брака и трудоемкость их последующих доработок будут несопоставимы с описываемым выше процессом производства.

Список литературы
1. Чуманов И. В., Порсев М. А. О повышении качества отливок, полученных литьем по газифицируемым моделям // Журнал «Специальные способы литья». – 2017.
2. Нестеров П. Н. Технологические решения по устранению газовых раковин при ЛГМ корпусов арматуры // Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекл и расплавов. – Курганский государственный университет. – 2018.
3. Нестеров Н. В., Полякова Е. Н. Прогнозирование выбросов металла при литье по газифицируемым моделям // Вестник МАНЭБ, № 3, 2011.
4. Шинский О. И., Максюта И. И., Квасницкая Ю. Г., Михнян Е. В., Нейма А. В. Применение растворяемых пенополистироловых моделей при получении литых деталей газотурбинных установок // Литье и металлургия. – 1(82), 2016.
5. Дорошенко В. С. Газификация пенополимерной модели в литейной песчаной форме с нейтрализацией газов методом сжигания // Физико-технологический иснститут металлов и сплавов НАН Украины. – 2021.
6. Лакедемонский А. В., Иванов В. Н., Пленцов Г. И., Шерман А. Д., Шуляк В. С. Способ удаления из литейной формы газифицируемой модели // А.С. 217606. – 07.05.1968.
7. Феклин Н. Д. Литье по газифицируемым моделям. Метод «встречных потоков» // Вестник арматуростроителя. – № 2 (95). – 20.03.2026.