Производство отливок из марганцовистой стали по технологии вакуумно-пленочной формовке (ВПФ)
Е.Буданов
Есть существенные отличия, которые обеспечивают бесспорные преимущества технологии изготовления литейных форм по Вакуум-процессу при выборе способа изготовления отливок из марганцовистых сталей. Для данных отливок только в самом крайнем случае назначают минимальную механическую обработку, а также необходимо применять дорогостоящую плазменную резку. ВПФ обеспечивает возможность получения минимальных уклонов и высокое качество поверхности отливок, не требующих последующей мехобработки, а в ряде случаев даже без использования стержней. Так, в отличие от других технологий, закладные элементы моделей по ВПФ легко вынимаются из полуформы без «расшатывания». В сравнении с ПГС, в формах по ВПФ есть возможность изготавливать более крупные отливки.
Например, по ВПФ получают полуформы с болваном (рис.1), который практически невозможно получить в «сырых» формах по ПГС (песчано-глинистой смеси). При этом, помним, что на современных АФЛ по ПГС высота опоки ограничена 500-600мм, но марганцовистые стальные отливки конусных дробилок требуют применения более высоких опок (например 1000мм), что многократно было реализовано на АФЛ по ВПФ. Другие свойства оборудования и технологии ВПФ также соответствуют решению технологических задач получения марганцовистых стальных отливок.
Особо следует отметить высокую экологичность литейного производства на базе ВПФ, т.к. форма состоит только из сухого песка без какого-либо связующего, в отличие от «сырых» форм (связующее бентонит), или, тем более, форм с химическим связующим. Поэтому, если за основу сравнения для возможности применения различных способов изготовления марганцовистых отливок взять технологический, экологический и экономический факторы, то ВПФ по всем из них будет иметь преимущества перед ХТС и ПГС. Так, «вакуумные» отливки более качественные при самой низкой себестоимости их изготовления и др.
Рис.1: Полуформа ВПФ с высотой «болвана», существенно превышающей высоту опоки. Завод FrogSwitch, США (слева) и Sandvik, Швеция (справа).
Отливки из высокомарганцовистой стали аустенитного класса 110Г13Л (сталь Гадфильда)работают на износ в условиях трения, скольжения и высоких давлений и ударов. Есть мнение, что сталь Гадфильда явилась первой легированной сталью массового производства. Эта сталь имеет состав 11-14,5 % Mn, 0,9-1,3 % С. При таком соотношении углерода и марганца в стали обеспечивается аустенитная структура, обладающая уникальным сочетанием повышенной износостойкости и склонности к упрочнению при деформации с высокой пластичностью и ударной вязкостью.
Вследствие большой вязкости эта сталь плохо обрабатывается режущим инструментом, изделия из нее получают литьем. Она предложена в 1882 году английским металлургом, почетным членом АН СССР Робертом Эбботом Гадфильдом(HadfieldRobertAbbot1858 — 1940 г.). Основные его научные труды и работы выполнены по производству, термической обработке и свойствам износостойкой марганцовистой стали110Г13Л.
Сталь Гадфильда сильно наклёпывается при ударных нагрузках. Из неё изготовляют детали горнодобывающего и горно-обогатительного оборудования, работающие в непосредственном контакте с породой при значительных напряжениях и динамических нагрузках, а также другого оборудования самого широкого назначения. Очень часто сталь Гадфильда применяют для производства отливок типа зубьев ковшей экскаваторов, футеровок шаровых мельниц, днищ ковша, броней конуса, гусеничных траков (рис.2), коронок землеройных и камнедробильных машин, броней и бил для роторных дробилок, рельсовых крестовин, стрелочных переводов, работающих в условиях ударных нагрузок и истирания.
Применение отливок из стали Гадфильда для изготовления траков танковых гусениц впервые было освоено британской фирмой «Виккерс» в конце 1920-х годов. Эта сталь позволила значительно увеличить ресурс гусениц танков с 500 км пробега (рекорд периода Первой мировой войны) до 4800 км.
Рис. 2: Трак для тягача космического «Шаттла»весом 998 кг, изготовленный по ВПФ — лучшая отливка 2005 года согласно решению Ассоциации литейщиков США. Изготовлена на заводе MEElecmetal/США по технологии ВПФ взамен ранее применяемых технологий ХТС и ПГС
Одной из особенностей высокомарганцовистой стали является ее большая усадка — до 2,6% (в то время как усадка стали обычных типов 1,56—2,08%). Поэтому для литья деталей из этой стали необходимо применять особо податливую литейную форму (лучше ВПФ) во избежание образования трещин, что соответственно ограничивает применение более «жестких» форм при использовании технологии ХТС (процессов фуран и альфа-сет).
В настоящее время можно с гордостью сообщить о первом большом положительном опыте, достигнутом по ВПФ сразу двумя отечественными предприятиями в Казахстане и Украине, специализирующимися на производстве отливок из марганцовистых сталей – «Казцинкмаш» и КЗГО. На данных заводах технология ВПФ эффективно используется для самой широкой номенклатуры отливок, в том числе и единичного производства. Это, собственно, многократно подтверждено активным освоением и на заводах России производства других стальных отливок по ВПФ самого разнообразного назначения – Ж.Д. «рам, балок, букс, автосцепок», корпусов отливок запорной арматуры и т.д.
По состоянию на лето 2014 года завод «Казцинкмаш» (г.Риддер, Казахстан), освоил более 200 единиц модельных плит для линии ВПФ с размером опок 2700х2700х400/1000 (400/400 и 1000/1000) мм. Город Риддер основан в 1786 году и назван по имени Филиппа Риддера, открывшего здесь месторождение полиметаллических руд и заложившего рудник. Филипп Филиппович Риддер (1759 — 1838) — горный инженер, генерал-майор Корпуса инженеров Путей сообщений. Он родился в семье обрусевшего санкт-петербургского золотошвейного фабриканта, сына купца Риддера, внука шведского военного лекаря, пленённого русскими под Полтавой.
Риддер расположен в живописном и экологически чистом месте на Рудном Алтае у подножья Ивановского хребта, в верхнем течении реки Ульба (приток Иртыша). Поэтому выбор ВПФ был обусловлен не только повышением качества отливок при самой низкой себестоимости их производства, но еще и лучшей экологией этой литейной технологии.
На украинском КЗГО, г.Кривой Рог соответственно (на май 2014г.) освоили уже 86 модельных плит для различной номенклатуры отливок на линии ВПФ с размером опок 2000х1800х600/600 мм. Кривой Рог — город в Днепропетровской области Украины. Самый длинный город Украины. С начала добычи железной руды в 1881 году город пережил экономический подъём, а его население стремительно увеличивалось. Началу добычи железной руды положил Александр Николаевич Поль. Официальной датой основания города считается 1775 год. Город расположен в месте слияния рек Саксагани и Ингульца, на реках есть несколько водохранилищ, в том числе Карачуновское водохранилище. Вопросы экологии были не на последнем месте при выборе технологии при модернизации литейного производства КЗГО (рис.3).
Рис.3: Лодочная станция на слиянии рек Ингулец и Саксагань, Украина
Рис.4: Пример отливок по ВПФ на заводе КЗГО — стальные отливки зубьев экскаваторов
Полученный положительный результат на заводах «Казцинкмаш» и КЗГО (рис.4) был запланирован и ожидаем, ведь самый опытный в Европе производитель горнодобывающего и горно-перерабатывающего оборудования завод Sandvik/Швеция изготавливает марганцовистые отливки на базе трех линий ВПФ, которые поочередно внедрялись на смену ранее используемого оборудования по ПГС и ХТС. Более того, на заводе Sandvik более 2000 модельных комплектов для ВПФ (рис.5), что демонстрирует опыт применения ВПФ для самой широкой номенклатуры по конфигурации и размерам отливок. Стоит учесть очередное преимущество ВПФ — возможность применения деревянных и пластиковых моделей, ведь абразивный формовочный материал не имеет прямого контакта с рабочей поверхностью модели при уплотнении и протяжке (ведь между ними пленка).
Рис.5: Склад более 2000 деревянных моделей для ВПФ завода Sandvik, Швеция
Рис.6: Завод Sandvik расположен в г. Сведала рядом с лесным массивом через дорогу от жилых домов. Вопросы экологии литейного производства традиционно для Швеции решены в первоочередном порядке (на базе ВПФ)
Сегодня концерн Sandvik– это крупнейший международный холдинг по производству горнодобывающего и перерабатывающего оборудования, выпускающий современную продукцию и занимающий лидирующее положение в мире в этой отрасли деятельности: оборудование для разработки скального грунта, продукция из нержавеющей стали, специальные сплавы, термостойкие материалы и технологические системы. В 2013 году во всех подразделениях концерна было занято свыше 47 тыс. сотрудников. Подразделение SandvikMiningandConstructionзанимается производством горного инструмента и оборудования, буровых станков, дробилок и грохотов, проходческих комбайнов и др.
Завод SandvikMiningandConstructionв г. Сведала (рис. 6) оборудован сразу 3 формовочными линиями HWS-Sinto, Германия по Вакуум-процессу. Каждая из этих линий была поставлена в разные годы, что говорит об исключительном доверии качеству и надежности этого оборудования со стороны известного шведского концерна (рис.7):
АФЛ №1, 1980 г.: размер опок 1250х1250×300/750 мм.
АФЛ №2, 1998 г.: размер опок 2400x2400x900/900(500/900) мм
АФЛ №3, 2000 г.: размер опок 1450x1450x300/750 мм и 750/300 мм.
Рис.7: Подвод, нагрев и наложение пленки на модель, готовые отливки с минимальной обработкой. На заводе Sandvik прочность «вакуумной» формы позволяет ходить по ней, например, для простановки стержней, съема отъемных частей или других технологических операций
FrogSwitch, США
Являясь мировым лидером по производству отливок из марганцовистой стали, TheFrog, Switch & ManufacturingCompany специализируется на запасных частях для горнодобывающей, агрегатной и дробильной техники. Компания поставляет полный ассортимент отливок из марганцовистой стали с увеличенным сроком пользования для всех типов и производителей дробилок.
Приобретя в 1979 г. первую линию по V-процессу, FrogSwitch была одним из пионеров в использовании вакуумно-пленочной формовки. На базе опыта на первой линии данный американский завод по аналогии с представленным шведским также последовательно внедрил еще линии ВПФ. На сегодняшний день компания является самым крупным и активным пользователем этого передового способа литейного производства, производя более чем три четверти всех своих отливок на трех линиях вакуумно-плёночной формовки (рис.8, 9):
АФЛ №1: 1370 x 2440 x 450/450 мм
АФЛ №2: 1800 x 1800 x 400/800 мм
АФЛ №3: 3400 x 1700 x 600/800 мм
Рис.8: Завод FrogSwitch, США: технологические операции получения готовой полуформы для отливки конуса дробилки на одной из трех линий ВПФ. Модель с отъемными элементами, которые затем вынимают из готовой полуформы (отливка без стержней).
MEElecmetal, США
Компания MEElecmetal– крупный производитель элементов дробилок, гусеничных траков экскаваторных ковшей, бурильного оборудования, шламовых насосов и др., а также занимается изготовлением отливок на заказ. Литейный завод компании в г. Дулус, США занимается производство стальных марганцовистых отливок на линии ВПФ концерна Sinto. Объем производства завода ок. 30 000 тонн отливок в год, размер опок АФЛ по Вакуум-процессу 1370х2440 мм. Опыт завода MEElecmetal (рис.2) дополнительно доказывает эффективность производства отливок из стали Гадфильда по ВПФ, и аналогичных литейных производств в мире значительное количество, особенно в Японии.
Марганцовистая сталь – конструкционная сталь, легированная марганцем. Отличается высокой прочностью и износоустойчивостью. По составу подобна углеродистым сталям, но содержит много марганца. Легирование дополнительными элементами – хромом, никелем, азотом – укрепляет свойства марганцовистой стали. Марганцовистая сталь обладает большей прочностью, чем обыкновенная сталь. Она особенно хорошо сопротивляется ударам. Основной недостаток марганцовистой стали – трудность обработки на станке, поэтому особо важно получать отливки с такой размерной точностью, которая бы максимально возможно соответствовала финишным размерам детали. Размерная точность отливок, произведенных методом ВПФ, обусловлена особым рабочим процессом при использовании вакуумной технологии:
- Использование чрезвычайно мелкозернистого отсортированного формовочного песка
- Высокая и равномерная степень уплотнения песка
- Отсутствие износа модельной оснастки
- В большинстве случаев — отсутствие необходимости уклона
- Для извлечения модели из формы не требуется вибрации
- Отсутствие движения стенок формы по причине высокой прочности формы
- Отсутствие деформации формы по причине испаряющихся добавок к формовочному материалу.
Результатом этого является размерная точность и повторяемость веса отливок. Это относится также к отливкам больших размеров, тяжелым отливкам, и к отливкам сложных геометрических форм. Кроме того, обеспечивается высокая степень воспроизводимости при серийном производстве, от партии к парии не наблюдается каких-либо различий. В качестве исходного значения для размерной точности может быть задано около + \ — 0,3%.
При производстве стальных отливок необходимо учитывать высокую температуру плавления, повышенную усадку и невысокую жидкотекучесть стали. Жидкотекучесть стали примерно в два раза меньше жидкотекучести чугуна. Однако опыты показали, что жидкотекучесть металла в формах по ВПФ (а, соответственно, и их заполняемость) при заливке выше на 30%, чем при «сырой» формовке по ПГС.
Другие преимущества вакуумно-пленочной формовки:
- форма обеспечивает минимальную температуру заливки металла за счет высокой заполняемости и теплоемкости;
- самая низкая себестоимость отливок, на 25…30% дешевле отливок, полученных по ПГС, и тем более гораздо дешевле аналогичных отливок в формах по ХТС;
- нет традиционной системы смесеприготовления, достаточно транспортных операций с сухим песком (иногда только обеспылевание и охлаждение песка);
- нет отходов и системы регенерации смеси, высокая экологичность;
- превосходное качество поверхности отливок без доводок (шероховатость ≤100 мкм для стали, для других отливок RZ-70 и выше);
- возможность изготовления тонкостенных стальных отливок;
- возможность обеспечения формовочного уклона до 0 град. или отрицательных уклонов с помощью отъемных частей модели;
- долгий срок службы моделей, низкий износ моделей, изготовленных обычно из пластмассы или дерева; нет контакта модели с песком (только с пленкой, что исключает износ);
- минимальный расход заливаемых материалов, меньше прибыли и т.д.;
- существенное уменьшение условий для «горячих трещин»;
- возможность выбивки отливок при высоких температурах;
- меньше затрат на термообработку отливок;
- нет необходимости в специальном обучении персонала.
Рис.9: Опыт завода Frog Switch – термообработку марганцовистых отливок крайне важно выполнить в кратчайшие сроки после заливки, что обеспечивается ВПФ благодаря простому осыпанию сухого формовочного песка с отливки после отключения вакуума в отличие, например, от ХТС
Выводы
Во-первых, опыт представленных заводов наилучшим образом демонстрирует преимущества ВПФ для отливок из марганцовистой стали. Во-вторых, показана широкая номенклатура отливок получаемых по ВПФ, что развеивает мифы об узкой специализации применения данной технологии. В-третьих, оправдались все прогнозы по активному развитию и внедрению технологии ВПФ для самых разнообразных стальных отливок (теперь и марганцовистых), после производства крупных Ж.Д. отливок на трех заводах России и ряде заводов по производству отливок запорной арматуры.
оригинал статьи lityo.com.ua