Создание конкурентоспособных технологий, как правило, связано с новыми научно-техническими концепциями (от лат. conceptio - понимание, система, определённый способ трактовки какого-либо явления, процесса, руководящая идея, ведущий замысел), позволяющими расширить представление о свойствах объекта исследования, чем в данной статье является песчаная форма, свойства которой рассмотрим ниже.

 

Концепция "активной" формы. В технической литературе термин "литейная форма" означает сосуд для заливки сплава или инструмент для изготовления отливки. Концепция "активной" литейной формы акцентирует представление о форме как инструменте, привнося к этому черты формы как процесса.

 

Это связано со следующими обстоятельствами:

появились новые способы воздействия формы на отливку, позволяющие получать такие свойства отливки, на которые раньше уходили целые технологические процессы, или вообще не производились;

форму все чаще рассматривают как важнейшую часть процесса пескооборота, продуцирующего отливки.

 

В первом случае такая эволюция взглядов, прежде всего, связана с формой как носителем добавок, образующих методом литья композитные, армированные или биметаллические детали, а также позволяющих модифицировать, инокулировать структурные составляющие, легировать металл всей или отдельных частей отливки.

 

Так появилось целое быстроразвивающееся направление новых способов и продуктов производства. Этому в свою очередь способствовало совершенствование литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), когда полость формы отсутствует, т. к. заполнена моделью, в процессе замещения металлом которой возникает отливка. В этом способе литья реже применяют термин "формовка", скорее "засыпка песка", а одноразовую модель (кроме создания очертаний отливки) начинают использовать как носитель указанных добавок (имплантантов - дисперсных или макроармирующих фаз), в т. ч., ориентированных в теле модели так, как затруднительно было бы выполнить в полой форме.

 

Концепция активной формы представляет (охватывает) различные операции и способы воздействия формы на отливку, отличные от использования формы как сосуда для затвердевания и дополняющие эту функцию, с целью совершенствования служебных свойств отливки и способов ее производства. Сюда можно отнести введение специальных (например, легирующих поверхность отливки) добавок в противопригарные покрытия, использование легирующих материалов в присыпке рабочей поверхности форм для центробежного литья, литье по ледяным моделям с предварительной операцией впитывания их в песок [1], воздействие хладагентом на отливку или ее отдельные поверхности в форме [2] и т. п.

 

С другой стороны, развитие способов формовки в текучем сухом песке без связующего, упрочняемым с использованием вакуумирования на уровне 50±20 кПа (в т. ч., для ЛГМ, вакуммно-пленочной формы - ВПФ), устраняет энергоемкую операцию уплотнения формовочной смеси (также как и последующего разуплотнения) часто громоздким оборудованием, заменяя его кратковременной вибрацией, и позволяет рассматривать форму как временно фиксируемую ("прикосновением" вакуума через трубопровод от насоса) часть оборота сыпучего песка.

 

Сыпучее "тело" сухого песка, как подчеркивал проф. В.С. Шуляк, в определенных условиях приобретает свойства "псевдожидкости". Для ЛГМ можно сказать, что поток сухого песка в обороте, "потребляя" пеномодели и металл, "выдает" отливки. Такое совмещение потоков песка и металла открывает перспективы для нового вида литья в "непрерывную" песчаную форму [3], в том числе, непрерывное ЛГМ [4].

 

Если на работы с традиционной формой (от смесеприготовления до выбивки) приходится до 60% трудозатрат при производстве отливки, то указанные виды формовки сокращают их в разы.

 

Вакуумируемая форма при контакте с металлом оказывает на него присасывающее действие [5], подобное способу вакуумного всасывания, что в подавляющем количестве случаев интенсифицирует образование сплошной поверхностной корки отливки (как металлического сосуда в песчаном сосуде), положительную роль которой учитывают при сдерживании силового распирания формы, в частности при использовании предусадочного расширения отдельных сплавов для самопитания (самозалечивания) возможных усадочных дефектов.

 

Подобное действие на отливку оказывает и замороженная форма, где вместо вакуума ускоряет пристеночное затвердевание низкая температура песчаной смеси со льдом - связующим, содержащим "энергию холода" фазового перехода воды.

 

За последние годы меняются приоритеты в развитии технологических процессов литейного производства в сторону их совместимости с окружающей средой. На первый план выходят экологические аспекты производства, которые определяются вредными выбросами в атмосферу, жёстко регламентируемыми Киотским протоколом. Оценка формовочных технологий в этой связи, показывает, что на форму приходится больше половины загрязнений при литье, из которых основным источником загрязнения атмосферы токсичными веществами служат продукты термодеструкции связующего песчаной смеси (до 90%), остальную часть загрязнений дают пыле и безвозвратные отходы смеси.

 

Поэтому исключение из литейного процесса связующих, например, заменой традиционных форм на уплотняемые и удерживаемые ком сухого песка с помощью вакуума способствует существенному снижению вредных выбросов. А, если к этому добавить улавливание и удаление газов непосредственно с границы "металл - песчаный наполнитель" через вакуумные трубопроводы вакуумным насосом по системе дезактивации в установках пылеосаждения и каталитического дожигания газов, что можно отнести к "активности" вакуумируемой формы, то процесс литья выводится на качественно новый уровень соответствия критериям экологической безопасности за счет сокращения вредных выбросов в 8-10 раз по сравнению с действующими и перспективными методами литья в песчаные формы со связующим. Это свойственно современным видам литья в вакуумируемые формы, к которым можно отнести практически все разновидности ЛГМ.

 

С точки зрения формулирования функциональных концепций в технологическом процессе описанные способы активности формы можно разделить на такие группы:

на стадии формовки - выбивки,

на стадии заливки-затвердевания отливки,

на стадии регулируемого охлаждения отливки.

 

Две из наиболее интересных концепций рассмотрим подробнее.

 

Концепция модели, "поглощаемой" формой. Возвращаясь к ЛГМ, отметим, что среди созданных в конце 20-го века литейных технологий, которые совершенствуясь расширяют свое присутствие в промышленности, опережающую динамику по географии распространения и объемов производства демонстрируют способы литья по моделях однократного использования, в частности, ЛГМ, в которых, по сути, получить модель отливки означает уже наполовину получить саму отливку.

 

Модель отливки - пенополистироловая, этот материал плотностью ~25 кг/м3 относится к твердым пенам (как хлеб, например), которые в физической химии определяются как дисперсия газа в твердом веществе, или точнее, ячеисто-пленочная дисперсная система. В нашем случае матрицей служит полистирол, а диспергируется ("дробится" и "рассеивается") газ.

 

В операции замещения металлом модели состоит ноу-хау технологии ЛГМ, что делает ее уникальной среди всех других способов формовки по модели, в которых присутствует предварительная операция ее удаления перед заливкой. Причем в таком отсутствии удаления модели из формы кроется и "секрет" точности получаемой отливки в неразъемной форме (размерная точность отливок достигает 6–7 квалитета, а снижение шероховатости их поверхности до 12,5...25,0 мкм по ГОСТ 26645-85) в сочетании с быстродействием (суммарная продолжительность операций "формовка-заливка" обычно занимает минуты). Характерная операция - снятие с модели "копии", чем является отливка (без традиционного "посредника" - полости литейной формы), одновременно с замещением модели металлом, что сравнимо с выполнением "фотографии" методом "уничтожения" оригинала, выполняется путем перевода материала модели в жидкое и/или газообразное состояние с обязательным поглощением этого материала в поры песка формы, как правило, под действием вакуума формы.

 

В технической литературе термин "литейная модель" означает инструмент - материальный прообраз отливки для получения рабочей полости формы как сосуда, или непосредственно отливки (с момента появления способа ЛГМ).

 

Концепция модели, "поглощаемой" формой, или "поглощаемой" модели представляет модель как расходный одноразовый инструмент, находящийся в процессе (технологическом потоке) "изготовление - формовка - поглощение", а также / точнее как важнейшую составляющую процесса движения модельного материала, которая, в свою очередь, играет важнейшую роль в получении отливки.

 

Такой функциональный подход должен отражать требования: 1) экологи, 2) экономики и 3) обострения научно-технической конкуренции при информационной глобализации, т. к., соответственно, возросшие нормы защиты окружающей среды все более жестко ставят вопрос о безопасности указанных технологий для экосистемы, сокращаются сроки инвестиционной окупаемости новых производств, а развитие техники перестраивает систему взглядов в направлении наибольшей прогрессивности.

 

Совершенствование технологии ЛГМ, поиск других впитывающихся (ледяные модели) материалов, способов впитывания в песок (например, при растворении заформованной модели из пенополистирола таким сравнительно экологически безопасным материалом растительного происхождения, как живичный скипидар) отвечает указанной концепции, которая касается ряда технических и физико-химических процессов, инновационно перспективных с точки зрения расширения возможностей литья.

 

Отметим, что литье по ледяным моделям в песчаную форму выгодно отличается среди технологий литья по одноразовых моделях своей экологической безвредностью, т.к. в качестве материала модели используется замороженная вода с небольшими добавками [1]. Активно ведут разработки этой технологии в University of Missouri at Rolla, USA, для ледяных моделей, получаемых быстрым прототипированием (макетированием) [6], а также во ФТИМС НАНУ при получении моделей методом литья.

 

Эти оба направления на пути к промышленному внедрению вызывают необходимость нетрадиционного решения ряда технологических задач. В первом случае в холодильной камере трехмерную модель слой за слоем в заданном порядке (так называемая, техника стереолитографии) намораживают из капель воды (капля замерзает за 0,2 - 3 с) с помощью программного компьютерного управления, перемещая в трех координатах манипулятором расходный дозатор, заполненный водой, с соплом или форсункой. Так намораживают корку, а замкнутые части быстро заполняют потоком воды. Для выполнения поднутрений, пустот и опор отдельные части модели могут намораживаться из рассолов с разной температурой плавления, а затем отдельные места (с более высокой температурой плавления) выплавляться окунанием в ванну с маслом. Этот вариант прототипирования наращиванием модели экономичнее варианта "удаления лишнего" механической обработкой головкой с режущим инструментом, применяемого для получения моделей из блочного пенополаста и сопровождающегося отходами в виде стружки.

 

В наиболее перспективном варианте литья по ледяным моделям после формовки модель удаляют из полости формы путем впитывания в окружающий песок продуктов ее таянии в вакуумируемой форме. В процессе отработки этой технологии выполняли формовку детали "шестерня" в контейнере, обычно применяемом для ЛГМ из пенополистирола. Таяние и впитывание талой воды под действием разрежения происходит достаточно быстро, стенки модели толщиной 10-12 мм поглощались песком в течение 5-8 мин.

 

Однако после удаления модели поверхность полости формы оказывается в тех же условиях, что и ВПФ без пленки, это вызывает опасность осыпания, особенно для выступающих и потолочных стенок со стороны полости, или размывания их потоком металла. В этом случае следует выполнять технологические приемы ВПФ, но решающее значение приобретает герметизирующее свойство противопригарного покрытия, наносимого на модель и переходящего на поверхность полости формы.

 

Технологическое задание на его разработку для разных типов отливок включает то требование, что его проницаемость при вакуумировании песка должна быть такой, чтобы скорость прохода воды была сравнима со скоростью таяния модели. Отсюда можно оценить его газопроницаемость, которая согласно формуле Пуазейля обратно пропорциональна динамической вязкости воздуха (или воды для проницаемости воды). С другой стороны, увеличение газопроницаемости ускорит таяние за счет обдувания модели потоком затекающего в полость формы воздуха, а увлажненный слой песка также приобретает герметизирующие функции за счет снижении его газопроницаемости в 3-4 раза по сравнению с сухим песком, что важно для упрочнения стенок рабочей полости вакуумируемой формы. Такая взаимосвязь указанных факторов потребует оптимизации свойств покрытия для разных видов отливок.

 

На первом этапе работы опробовали покрытия, (а) создающие плотную корку на поверхности формы в результате взаимодействия материалов покрытия (гипс, цемент) с талой водой, проходящей сквозь него, а также (б) создающие гелеобразную пленку путем добавки гелеобразователя (жидкое стекло) в водную композицию модели с последующим осаждением в виде нефильтрата на поверхности полости формы в результате фильтрования продуктов таяния при впитывании их в песок.

 

Технология литья по ледяным моделям, включая их поглощение песком формы, подлежит развитию на основе последних достижений физикохимии с учетом совершенствования холодильной техники, способов вакуумной формовки, она наиболее перспективна для неразъемной формы. Сейчас эта технология находится на стадии разработки и патентования, в дальнейшем она займет свою область применения преимущественно для получения мелких и средних отливок, дополняя возможности литейного производства. Она уникальна уже тем, что нигде так в литейной технологии многовариантно не используется вода (отметим, как экологически чистый материал): от материала модельной конструкции в виде льда - до хладагента, увлажняющего песок и "отбирающего" тепло (в основном путем превращения воды в пар) в процессе охлаждения отливки и песка формы.

 

Последнее весьма актуально, т.к. с точки зрения влияния формовочной смеси на охлаждение отливки сухой песок хуже отводит тепло, чем традиционные формы со связующим, и время охлаждения отливки до температуры выбивки при этом обычно увеличивается на 20...30%. Устранению этого недостатка и, более того, созданию способов регулируемого ускорения охлаждения отливки, что затруднительно для песчаных форм со связующим, но, как показано далее, возможно для вакуумируемых форм, служат следующие решения в плане нижеприведенной концепции использования вакуума формы (который после заливки раньше просто отключали), свойств песка как пористого материала, а также сыпучего до уровня свойств "псевдожидкости".

 

Концепция воздействия на кристаллизацию и охлаждение отливки в форме вплоть до термообработки. Здесь ключевым является тот подход, что вакуумируемая форма рассматривается как герметичный наполненный песком сосуд (контейнер), на содержимое которого, включая отливку, в заданном режиме можно воздействовать путем ввода-вывода требуемого количества хладагента, регулируя разрежение внутри формы, т. е. закачивая хладагент в песок формы или прокачивая его сквозь поровое пространство песка.

 

Наиболее удобно в качестве такого хладагента использовать воду, подавать ее из переносной емкости-дозатора, подсоединяя к металлической трубке, нижний конец которой установлен в песке так, что отливка в форме находится на пути движения хладагента от трубки до средства вакуумирования песка, закрепленного на внутренней стенке контейнера.

 

Наблюдаются следующие закономерности распространения воды в порах песка под действием вакуума. В увлажненном песке (влажностью от ~0 до 8,5%), как уже упоминалось, снижается газопроницаемость (от ~140 до ~35 ед.). А так как движение воды и пара (от контакта воды с нагретым отливкой песком) проходит в песке по пути наибольшего разрежения (наибольшей газопроницаемости), то влага, обходя влажные, устремляется к сухим соседним объемам песка и направляется от трубки практически во все стороны, но больше в сторону вакуумного трубопровода.

 

Установка точки подачи воды так, чтобы на ее пути была отливка, обеспечивает охлаждение последней с интенсивностью, которую регулируют количеством и скоростью протекания воды и пара в песке близ отливки. Вода взаимодействует с песком в два этапа: при подаче и контакте с горячим песком она испаряется, пар конденсируется в холодных зонах вокруг отливки, затем по мере прогрева этих зон влага распространяется с характерным движением переувлажненной зоны песка и высыхает аналогично таким явлениям в сырой форме. В обоих случаях ускоряется охлаждение отливки и песка.

 

Заостренные трубки диаметром 5-8 мм следует вводить в песок, пробивая герметизирующую синтетическую пленку на контрладе залитой металлом форме, либо устанавливать при формовке, приставляя после заливки металла к ним воронки или дозирующие емкости для воды. Вода в количестве 0,4...0,6 кг, как показывает опыт, засасывается обычно в течение 10…100 c, а количество ее или другого хладагента определяется технологическими требованиями охлаждения. Однако, если давать воды столько, что песок при высыпке будет с температурой выше или близкой к 100 °С, то в нем жидкости не останется и его высыпание из контейнера не затруднят увлажненные комья, прилипшие к стенке контейнера или опоки.

 

Замедленное охлаждение отливок в сухом песке во время эвтектического превращения способствует получению прочных отливок из низкоэвтектических (преимущественно недорогих синтетических или "сталистых", получаемых с превалированием в шихте стального лома) чугунов, затвердевающих часто с отбелом в обычных формах, а ускорение эвтектоидного (перлитного) превращения подачей хладагента дает перлитную структуру.

 

Последнее носит признаки термообработки отливки в форме. Фактически можно подавать столько хладагента, сколько поровые "каналы" песка формы могут пропустить, такой способ сейчас патентуется во ФТИМС НАНУ. Быстрое охлаждение отливок, близкое к закалке в форме, во многих случаях повысит их качество, в частности как для углеродистых, так и для легированных аустенитных сталей, а также для ряда цветных металлов.

 

С той же целью представляет интерес способ частичного удаления сухого песка из формы для освобождения части поверхности едва затвердевшей, либо достаточно горячей отливки и охлаждения ее воздухом естественной конвекции или потоком, в частности, засасываемым с помощью вакуумирования формы, в том числе с добавлением в поток воздуха влаги путем пульверизации.

 

На участках ЛГМ для транспортирования сухого песка в пневмопотоке, как показал опыт ФТИМС НАНУ, удобно использовать вакуумирование (реже применяют сжатый воздух) при подключении системы трубопроводов к вакуумному насосу. Поэтому удалить часть песка из формы устройством типа пылесоса несложно, подключив его к такой системе, либо выполнив автономным. Здесь используется свойство текучести несвязанного песка из арсенала "активной" формы. Через какое-то время можно покрыть опять открытую поверхность отливки путем нанесения на нее удаляемого утепляющего (насыпного, матерчатого) или постоянного (износостойкого, декоративного) покрытия, достигая режима "ступенчатого" охлаждения с различного значения температуры и с различной скоростью.

 

Таким образом можно ускорить охлаждение отдельных частей или поверхностей отливок, что для многих металлов вызывает повышение их механических свойств, сократит операцию выдержки отливки в форме перед выбивкой, а также создает возможность получения отливок с дифференцированными свойствами.

 

По нашему мнению упомянутые технологии литья в вакуумируемую "активную" форму относятся к весьма перспективным. Являясь продуктом конца прошлого века, вакуумируемая форма, включая ЛГМ, совершенствуясь, прочно расширяет свою промышленную основу и привлекает инвестиции в новое производство, определяя его конкурентоспособность. За 3-4 десятилетия после своего возникновения годовой объем выпуска отливок в мире этими способами, по оценке авторов, достиг 2% от всего литья (на постсоветском пространстве ~0,2%).

 

Концептуальный подход к оценке возможностей формы в процессе литья как "активно-функциональной" системы (при возможном последующем уточнении названий и терминов) позволяет методологически расширить инженерные представления для дальнейшего создания новых совместимых с окружающей средой технологий и усиления служебных свойств отливок, свидетельствуя, что инновационные возможности формы не только далеко не исчерпаны, но и подлежат энергичной научно-технической разработке, в частности, украинскими инженерами-учеными, по пути возрождения отечественной "формовочной школы".