Расходные формовочные материалы для ВПФ

Развитие промышленности, повышение уровня выпускаемой техники, жесткая конкуренция на рынке поставок литых заготовок, все это обусловливает высокие требования к качеству производимого литья. Технология вакуумно-пленочной формовки, в основе которой заложены сухой песок без связующего и вакуум, предполагает условия для без дефектного производства литья, чем другие существующие технологии (ХТС, ЛГМ и т.д.). При этом знание процессов происходящих при производстве форм, при заливке их металлом с пониманием влияния используемых расходных материалов на качество отливок, позволяют понимать причины возникновения дефектов литья и подбирать способы их устранения, позволяют значительно снизить риски получения брака. При использовании метода вакуумно-пленочной формовки, более 2000 факторов, так или иначе влияющих на процесс формирования отливки, создают условия для возможного регулирования самого процесса. Подбор необходимых технологических режимов производства, качество используемых расходных материалов, конструктивные особенности технологического оборудования и модельно-опочной оснастки, внешние факторы (влажность, температура воздуха и т.д.), человеческий фактор и т.д. в совокупности влияют на качество производимого литья.

Рассмотрим влияние геометрических размеров расходных формовочных материалов на процесс производства форм и их воздействие на качество отливок при ВПФ. Естественно, что в реальном производстве в совокупности всех свойств используемых расходных материалов, их общее влияние на процесс производства и качество отливок может быть усилено, либо ослаблено.

Приобретение расходных формовочных материалов для нужд собственного производства, как правило, происходит по рекомендациям поставщиков технологического оборудования, но не каждый специалист знает возможные последствия при отклонении от этих рекомендаций.

Основными расходными материалами для вакуумно-пленочной формовки являются; формовочный песок, синтетические пленки — облицовочная и герметизирующая, антипригарная краска.

Формовочный песок:

Для метода вакуумно-пленочной формовки используются любые огнеупорные пески округлой и полуокруглой формы, обладающие хорошей способностью к уплотнению, что повышает прочность формы после ее виброуплотнения и геометрическую точность производимых отливок. В существующих источниках описаны рекомендации по применению разных гранулометрических составов формовочных песков и приведенные ниже данные, являются усредненными, исходя из опыта автора при получении стальных и чугунных отливок. Для упрощения будем рассматривать только основные фракции песка, составляющие в его общей массе до 70%-85%. Рекомендуемые основные фракции песка: от 0.063мм. до 0.16мм. (усредненный показатель 0.1мм).

(Таблица 1)

• Расход вакуума – применение крупнозернистого песка увеличивает энергозатраты при вакуумировании, то есть приводит к повышенному расходу вакуума в процессе производства, увеличению мощности вакуумной станции и может, даже, привести к необходимости увеличения сечений подводящих вакуумпроводов.
• Газопроницаемость формы – необходима для создания равномерного вакуума во всем теле формы, что при не благоприятных условиях приведет к образованию различных дефектов отливок, таких как; песчаные засоры, газовые раковины, пористость и других дефектов.
• Сопротивление наполнителя газовому потоку – это натекание воздуха по периметру опоки, а также в прогары пленки при заливке формы металлом, повышающее энергозатраты при вакуумировании, снижающее прочность формы, способствующая возможному образованию дефектов, особенно в верхней полуформе.
• Склонность к образованию пригара – это процесс возможного проникновения (пенетрации) жидкого металла в зазоры между песчинками песка за счет засасывания металла вакуумом вглубь формы.
• Шероховатость поверхности – прямая зависимость качества литой поверхности отливки, от основных размеров используемого сыпучего наполнителя формы (песка).

При изготовлении больших, высоких форм для сложных, габаритных отливок, где проблематично создать равномерное разряжение во всем теле формы, рекомендуется использовать пески более крупных фракций, имеющих более высокую газопроницаемость.

Синтетические пленки:

Специальные синтетические пленки, используемые для облицовки моделей при вакуумно-пленочной формовке, должны соответствовать целому ряду известных требований к ее свойствам, обеспечивающих получение четкого оттиска модели без какого либо его нарушения, как в процессе создания формы, так и в процессе получения отливки.

К пленке контрлада (герметизирующая) предъявляются значительно меньшие требования, так как ее основной задачей является надежная герметизация формы с ее не рабочей поверхности.

Рассмотрим разные толщины пленок, применяемые в литейном производстве при ВПФ, их влияние на вакуумную форму и качество производимых отливок.

(Таблица 2)

• Герметизирующие свойства пленки – величина натекания воздуха по периметру формы между пленкой и опокой. Определяются с помощью коэффициента эластичности, обратно пропорционального энергозатратам на вакуумирование не залитых форм. К примеру: для пленки типа Сэвилен толщиной 0.12мм он равен 1.1, а толщиной 0.075мм он составляет уже 1.6.
• Склонность к образованию пористости – в вакуумной форме основным источником выделения газов является облицовочная пленка и чем толще применяемая пленка, тем больше вероятность образования газов. Часть газов не удалившаяся из полости формы через выпора и через стенки полости формы за счет всасывающего действия вакуума, смешивается с потоком жидкого металла и застывает в нем, образуя поры.
• Стойкость поверхностного слоя полости формы при ее заполнении металлом – в момент поступления жидкого металла в форму, происходит мгновенное размягчение облицовочной пленки до жидкой фазы. Продукты разложения (размягчения) пленки под действием вакуума через поры наполнителя проникают в поверхностный слой полости формы, где на холодных зернах песка, кристаллизуются, образуя твердую корку. Величина этой корки влияет на прочность формы в первоначальный момент заливки.
• Выделение газов при сгорании облицовочной пленки – имеет прямую зависимость от толщины пленки. Выделяющиеся газы попадают в жидкий металл (пористость). При резком выбросе большого количества газов, внутри формы может создаться избыточное давление, компенсирующее существующее отрицательное давление внутри тела формы, что приводит к снижению прочности формы и возможному нарушению ее целостности.
• Величина пластической деформации пленки – важна при подборе оптимальной толщины облицовочной пленки для успешной облицовки высоких либо глубоких моделей.
• Образование дефекта спай – при движении потока жидкого металла внутри формы, перед фронтом металла происходит интенсивное разложение пленки. В момент соединения двух фронтов жидкого металла с разных сторон, продукты разложения пленки могут стыковаться между собой, создавая слой жидкости и газов, препятствующих надежному соединению металла. Такой дефект чаще всего может возникнуть в верхней части формы, либо в удаленной от ее питателей части, там где температура металла становится ниже обычной.
• Энергозатраты – для разогрева толстой синтетической пленки до пластического состояния необходимо время нагрева больше ( либо использовать более мощный нагреватель), чем для тонкой пленки.

Использование максимально тонких пленок, позволяющих без проблем облицовывать существующие модели, снижает; стоимость расходных материалов, энергозатраты на ее нагревание, вероятность образования дефектов и расход вакуума.

Для пленки контрлада (герметизирующей) главным требованием к которой является ее герметизирующие свойства, используются любые имеющиеся тонкие, дешевые пленки, либо другие материалы обладающие аналогичными им данными.

Антипригарная краска

Используется для создания поверхностного огнеупорного слоя рабочей полости формы и получения качественной поверхности отливки. Существует ряд известных основных требований предъявляемых к антипригарной краске, мы же рассмотрим только влияние толщины ее слоя на показатели при производстве форм и качество получаемого литья. Максимальный слой антипригарной краски применяется в случае производства толстостенных отливок, особенно при заливке формы металлом, имеющим высокую температуру плавления.

(Таблица 3)

• Склонность к образованию пригара – является основной защитной функцией краски. Имея более высокую огнеупорность чем формовочный песок, краска предотвращает его прямой контакт с расплавленным металлом.
• Склонность к образованию пористости – толстый слой антипригарной краски создает дополнительное препятствие свободному проникновению продуктов разложения пленки, за счет разряжения, в тело формы. Большая часть продуктов разложения пленки остается в полости формы, смешиваясь с жидким металлом, что повышает вероятность образования пористости в отливке. При этом, сама антипригарная краска выделяет газы при контакте с расплавленным металлом, усугубляя условия без дефектного формирования отливки.
• Шероховатость поверхности – при заливке формы жидким металлом, облицовочная пленка выгорает, оголяя слой антипригарной краски. Качество поверхности получаемой отливки зависит от качества поверхностного слоя антипригарной краски. Металл (отливка) как бы повторяет шероховатость поверхности антипригарного покрытия на котором он застывает. При использовании крупных фракций формовочного песка и тонкого слоя антипригарной краски, пленка под действием вакуума прижимает слой антипригарного покрытия к песку, вдавливая ее в поры песка, чем увеличивает микронеровности литой поверхности (шероховатость).
• Стойкость поверхностного слоя полости формы при заполнении ее металлом – антипригарная краска является своего рода оболочкой полости формы, создающая необходимую конфигурацию получаемой отливки. Чем толще такая оболочка, тем выше стойкость поверхностного слоя к воздействию жидкого металла, как температурного, так и механического.

Любые расходные формовочные материалы, применяемые в технологии вакуумно-пленочной формовки, при всем своем соответствии существующим требования по качеству, необходимо использовать с учетом их геометрических размеров и технологической необходимости. Продуманное использование разных размеров формовочного песка в сочетании с сопоставимыми толщинами облицовочной пленки и антипригарной краски, позволит максимально снизить затраты на производство отливок и получить их высокое качество.

Рис.1

Рассмотрим ориентировочный вариант подбора размеров необходимых расходных материалов при производстве отливки «Броня конусная» (Рис.1) с максимальным наружным диаметром отливки 2400мм и высотой 900мм.

Необходимые (ориентировочные) размеры опоки в свету: диаметр 2800*400/1100.

— Основные фракции песка от 0.1мм и больше. Увеличение размера зерен необходимо  для создания равномерной газопроницаемости во всем объеме формы, особенно для прочности «висячего болвана» в верхней полуформе.

— Толщина облицовочной пленки 0.1 и более (определяется опытным путем). Такая толщина необходима для облицовки высокой и глубокой моделей, требующих максимальное ее удлинение.

— Толщина противопригарного покрытия для производства массивной стальной отливки должна быть не менее 0.3мм. Она позволит укрепить полость формы (образуeтcя защитная корка) и снизить  воздействие горячего металла на формовочный песок (предотвратить пригар либо прижег).

Рис.2

Как видно, такая форма (Рис.2), в составе которой используется толстая облицовочная пленка и толстый слой противопригарного покрытия, должна быть предрасположена к образованию пористости, но при сифонном заполнении формы металлом и отсутствии у отливки «дна», движущийся фронт жидкого металла вытесняет расплав пленки вверх. То есть, вероятность смешивания металла с продуктами расплава пленки (образование дефекта пористость), в отливке не значительна. К примеру, при наличии «дна» у этой отливки, условия ее заполнения металлом в нижней части, могут привести к образованию пористости, ввиду возможного поверхностного контакта и смешивания продуктов разложения пленки с жидким металлом. Для второго варианта формы, склонного к образованию пористости, рекомендуется провести термическую обработку «дна» для удаления облицовочной пленки (продуктов ее разложения) до заливки формы металлом.

Статьи от автора: Феклин Н.Д.

Литература:

1. ВАКУУМ – ПРОЦЕСС. КНИГА «НОУ – ХАУ». Технический редактор В.П. Кузнецов.
2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ ТОЧНЫХ ЛИТЫХ ЗАГОТОВОК В ВАКУУМИРУЕМЫХ ФОРМАХ. Министерство тяжелого и транспортного машиностроения. ВОРОШИЛОВГРАДПТИМАШ А.А. Кондратов, Ю.М. Захлыпа, А.А. Прокопенко, Н.П. Макеев, А.Л. Близнюк.