Аннотация
В связи с активным развитием автомобильной промышленности Китая растёт спрос на отливки, получаемые методом литья по газифицируемым моделям и используемые в автомобильных панелях. Однако дефект механического пригара в отливках, возникающий в процессе производства, постоянно влияет на качество продукции и ограничивает производительность. В данной статье проводится углублённый анализ причин механического пригара в отливках, получаемых методом литья по газифицируемым моделям, по восьми аспектам: проектирование отливки и модели, модель, опока, литниковая система и система прибылей, формовочная смесь, формовка, состав металла и заливка; предлагаются соответствующие системные меры предупреждения с целью предоставления полезных рекомендаций для повышения качества отливок, получаемых методом литья по газифицируемым моделям, и снижения уровня брака.
Ключевые слова
Литьё по газифицируемым моделям; Механический пригар; Анализ причин; Меры предупреждения
1. Введение
Технология литья по газифицируемым моделям широко применяется в современном литейном производстве благодаря своим уникальным преимуществам. В рамках этого процесса поверхность обработанной пенополистироловой модели покрывают огнеупорным покрытием определённой толщины, затем помещают модель в опоку, а внешнее пространство уплотняют и формируют самотвердеющей смоляной смесью. Заливку выполняют под отрицательным давлением, чтобы газифицировать модель, после чего жидкий металл занимает место модели. После затвердевания и охлаждения формируется отливка. Однако в реальном производстве часто возникают дефекты механического пригара, которые серьёзно влияют на качество отливок и производительность. Механический пригар, также называемый пригаром вследствие проникновения расплава в песок, представляет собой адгезионный слой, образованный механической смесью металла и частиц песка на поверхности отливки, когда жидкий металл или оксид металла проникает в зазоры между частицами песка на поверхности рабочей полости формы посредством капиллярного или газофазного проникновения. При удалении слоя пригара виден металлический блеск. Поверхность механического пригара имеет губчатую структуру и прочно сцепляется с поверхностью отливки; он в основном возникает на участках, где поверхности песчаной формы и стержня испытывают сильное тепловое воздействие, а песчаная форма обладает низкой плотностью, например вблизи разливочной прибыли, на толстых и крупных сечениях отливок, во внутренних углах и канавках. На основе производственной практики и соответствующих данных в данной статье анализируются причины механического пригара в отливках, получаемых методом литья по газифицируемым моделям, и предлагаются системные методы его предупреждения.
2. Анализ причин механического пригара при литье по газифицируемым моделям
2.1 Проектирование отливки и модели
Если конструкция отливки и модели приводит к образованию в песчаной форме острых углов, навесов, выступающих элементов, тонких песчаных площадок или песчаных стержней, такая конструкция вызовет локальную концентрацию тепла в песчаной форме и стержне, нарушив их нормальные свойства. Поверхность песчаной формы и стержня преждевременно обрушится, что облегчит проникновение расплава чугуна или оксида металла и вызовет механический пригар. Например, в некоторых отливках автомобильных панелей, получаемых методом литья по газифицируемым моделям, для обеспечения равномерности толщины стенки отливки модель проектируют с конструкциями, которые трудно или невозможно утрамбовать, такими как узкие отверстия и полости, что серьёзно влияет на уплотнение формовочной смеси в определённых участках отверстия. Даже при особом внимании формовщиков возникновение пригара всё равно весьма вероятно.
2.2 Модель
Недостатки технологического проектирования модели, приводящие к рыхлому или неравномерному уплотнению песчаной формы, вызывают шероховатость или рыхлость поверхности рабочей полости формы, непосредственно способствуя образованию механического пригара. Распространённые ошибки следующие: неправильный выбор поверхности разъёма, приводящий к чрезмерно высокой верхней полуформе или глубокой полости в песчаной форме; неправильное размещение модели на модельной плите, например слишком близко к стенке опоки или слишком плотная установка, из-за чего вогнутые участки трудно уплотнить, что может вызвать расширение отливки. Даже при отсутствии заметного расширения возникновение механического пригара весьма вероятно; неправильное расположение литникового стояка, прибыли и шлакоуловителя, в результате чего образуются вогнутые участки, которые трудно уплотнить; если угол уклона составляет <1.5°, даже при приемлемой общей плотности песчаной формы поверхность песчаной формы будет разрываться, облегчая проникновение металла или оксида металла. Кроме того, неудовлетворительная технологическая конструкция модели приводит к чрезмерному статическому давлению расплава чугуна, увеличивая нагрузку на песчаную форму; для противодействия давлению проникновения расплава чугуна требуется использовать специальные песчаные формы или более плотные методы формовки.
2.3 Опока
Необоснованные конструкция и структура опоки приводят к неравномерному уплотнению или рыхлой трамбовке песчаной формы. Неправильное расположение рёбер опоки препятствует уплотнению некоторых вогнутых участков, вызывая локальное разрыхление песчаной формы, расширение песка или механический пригар; слишком маленькая опока приводит к рыхлой трамбовке; неправильное расположение рёбер опоки не позволяет разместить литниковый стояк и прибыль в подходящих местах, что приводит к рыхлому уплотнению формовочной смеси между прибылью или литниковым стояком и моделью, а концентрация тепла в этой зоне усиливает механический пригар. В таком случае, если изменить положение литникового стояка или прибыли невозможно, рёбра опоки необходимо срезать или удалить; высота верхней полуформы связана со статическим давлением расплава чугуна, которое зависит от плотности металла и высоты верхней полуформы. Если для обеспечения питания отливки требуется определённая высота верхней полуформы, свойства формовочной смеси необходимо соответствующим образом улучшить.
2.4 Литниковая система и система прибылей
Неправильное расположение литниковой системы и системы прибылей приводит к локальному перегреву песчаной формы, вызывая преждевременное разрушение поверхности рабочей полости формы и облегчая проникновение расплава чугуна или оксида металла, образующегося при высокой температуре, в поверхность рабочей полости формы. Например, если литниковый стояк или прибыль расположены слишком близко к поверхности формы, образуется горячая зона. Если песчаная форма в горячей зоне недостаточно уплотнена, механический пригар будет очень сильным; чрезмерное количество расплава чугуна, протекающего по определённой поверхности рабочей полости формы, повреждает поверхность формы и повторно расплавляет первоначально затвердевшую твёрдую корку, усиливая пригар; при слишком высоком давлении расплава чугуна во время заливки, особенно если температура также высока, легко возникает механический пригар. Неправильное соотношение площадей поперечных сечений литникового стояка, шлакоуловителя и питателя приводит к непрерывному окислению расплава чугуна во время заливки, увеличивая количество оксида металла и вызывая флюсование формовочной смеси. Чрезмерно большой размер шейки прибыли вызывает перегрев окружающей песчаной формы, что является распространённой проблемой и часто связано с чрезмерной длиной шейки прибыли. Для предотвращения преждевременного затвердевания расплава чугуна в шейке прибыли приходится увеличивать размер шейки. Если недостаточное питание возникает из-за неправильного проектирования шейки прибыли, для предотвращения затвердевания лучше укоротить шейку прибыли, а не увеличивать её размер. Меньшая шейка прибыли снижает поглощение тепла песчаной формой. Неправильная конструкция литниковой чаши или литникового стояка вызывает подсос воздуха во время заливки и приводит к окислению расплава чугуна, обычно вследствие турбулентности. Непрерывное накопление оксидной плёнки на поверхности расплава чугуна вызывает механический пригар.
2.5 Формовочная смесь
Неравномерное распределение размеров частиц исходного песка приводит к низкой плотности песчаной формы, а распределение размеров частиц исходного песка непосредственно влияет на максимальную плотность песчаной формы. Плохая текучесть и формуемость формовочной смеси не способствуют уплотнению формы. Слишком тонкое смоляное покрытие на облицовочном песке снижает локальную прочность оболочки и оставляет некоторые частицы песка непокрытыми смолой, что легко приводит к механическому пригару отливок. Высокая газопроницаемость формы свидетельствует о наличии крупных частиц песка. Газопроницаемость и плотность взаимосвязаны: низкая плотность обеспечивает хорошую газопроницаемость и наоборот. Недостаточное содержание углеродистых материалов или раскислителей в формовочной смеси приводит к образованию избыточных оксидов металла, которые смачивают частицы песка и облегчают их проникновение.
2.6 Формовка
Рыхлая трамбовка и неравномерная плотность. В большинстве случаев плотность трамбовки и равномерность плотности одинаково важны, а иногда неравномерная плотность более вредна. Некачественный ремонт песчаной формы с шероховатой и рыхлой отремонтированной поверхностью, чрезмерный ремонт или высокое содержание влаги в отремонтированных участках вызывают кипение расплава чугуна и приводят к механическому пригару. Плохое заполнение песком с образованием шероховатых и рыхлых участков способствует возникновению механического пригара. Неравномерное или недостаточное нанесение покрытия на песчаную форму, неравномерная или недостаточная сушка покрытия для форм с поверхностной сушкой, чрезмерное использование разделительного состава ослабляют поверхностную прочность песчаной формы, способствуя кипению расплава чугуна и вызывая механический пригар отливок. Если число Боме покрытия песчаной формы слишком мало, покрытие впитывается песчаной формой, отслаивается, скалывается или осыпается, что приводит к механическому пригару. Недостаточное покрытие поверхности модели облицовочным песком является распространённой эксплуатационной ошибкой. Контакт холодных и горячих материалов (песчаного стержня, песчаной формы, стержневого крепления, холодильника и т. д.) вызывает конденсацию влаги. Влага может вызвать механический пригар кипящего типа и значительно увеличить скорость образования оксидов, после чего происходит проникновение оксидов металла; это является общей причиной механического пригара и основной причиной механического пригара при формовке под высоким давлением.
2.7 Состав металла
Металлы, легко образующие текучие оксиды металла. Металлы с хорошей текучестью чаще вызывают механический пригар, чем металлы с высоким поверхностным натяжением или вязкостью. Сплавы, содержащие легкоплавкие компоненты, например свинец в свинцовой бронзе, склонны вызывать механический пригар, поскольку свинец сохраняет текучесть при значительно более низких температурах, чем основной металл. Сплавы, требующие высоких температур заливки, обладают хорошей текучестью и склонны к образованию механического пригара. Кроме того, высокие температуры заливки ускоряют образование оксидов, повышая склонность к образованию окислительного механического пригара.
2.8 Заливка
Чрезмерно высокая температура заливки не только повышает текучесть расплава чугуна, но и ускоряет его окисление, тем самым ускоряя возникновение окислительного механического пригара. Слишком высокий подъём разливочного ковша, подобно чрезмерно высокой верхней полуформе, формирует высокий металлостатический напор, способствуя проникновению металла или оксида металла в поры песчаной формы и повышая риск механического пригара.
3. Системные меры предупреждения механического пригара при литье по газифицируемым моделям
3.1 Оптимизация проектирования отливки и модели
Инженеры-технологи литейного производства должны тщательно анализировать рациональность конструкции модели при её проверке, устраняя необоснованные элементы, влияющие на нанесение покрытия и уплотнение песка. Для конструкций, влияющих на уплотнение песка, таких как определённые конструкции полостей, следует применять такие меры, как разумное
3.2 Улучшение технологического проектирования модели
Рационально выбирать поверхность разъёма, чтобы избежать чрезмерно высокой верхней полуформы или чрезмерно глубокой полости; оптимизировать размещение модели на модельной плите, чтобы обеспечить уплотнение вогнутых участков; правильно устанавливать положения литникового стояка, прибыли и шлакоуловителя, предотвращая появление участков, которые трудно уплотнить; обеспечить угол уклона ≥1.5°, чтобы избежать разрыва поверхности песчаной формы. Одновременно следует улучшить технологическую конструкцию модели, чтобы снизить статическое давление расплава чугуна и нагрузку на песчаную форму.
3.3 Рациональное проектирование опоки
Оптимизировать конструкцию и структуру опоки, рационально располагать рёбра опоки, чтобы они не препятствовали трамбовке песка; выбирать опоку подходящего размера в соответствии с фактическими потребностями для обеспечения плотной трамбовки; если рёбра опоки влияют на положения литникового стояка и прибыли, можно принять такие меры, как срезание или удаление рёбер опоки; рационально определять высоту верхней полуформы с учётом требований к питанию отливки и свойств песка.
3.4 Оптимизация литниковой системы и системы прибылей
Рационально устанавливать положения литниковой системы и прибылей, чтобы избежать локального перегрева песчаной формы, например увеличивать расстояние между литниковым стояком или прибылью и поверхностью формы, уменьшать поток расплава чугуна по поверхности рабочей полости формы и контролировать давление и температуру расплава чугуна. Правильно проектировать соотношение площадей поперечных сечений литникового стояка, шлакоуловителя и питателя, чтобы обеспечить постоянное заполнение литниковой системы расплавом чугуна и снизить его окисление. Рационально определять размер шейки прибыли, чтобы избежать перегрева окружающей песчаной формы. Если из-за неправильного проектирования возникают проблемы с питанием, приоритет следует отдавать укорачиванию шейки прибыли. Оптимизировать конструкцию литниковой чаши или литникового стояка, чтобы предотвратить подсос воздуха во время заливки и окисление расплава чугуна.
3.5 Повышение эксплуатационных характеристик формовочной смеси
Выбирать исходный песок с равномерным распределением размеров частиц для повышения плотности песчаной формы. Улучшать текучесть и формуемость формовочной смеси, чтобы обеспечить лучшее заполнение полости при формовке. Обеспечивать надлежащую толщину смоляного покрытия на облицовочном песке для повышения общей прочности оболочки. Контролировать газопроницаемость формы, избегать чрезмерно крупных частиц песка и обеспечивать баланс плотности. Добавлять достаточное количество углеродистых материалов или раскислителей в формовочную смесь для снижения образования оксидов металла.
3.6 Стандартизация операций формовки
Обеспечивать плотную и равномерную трамбовку, усиливать контроль качества процесса формовки. Тщательно ремонтировать песчаную форму, обеспечивая ровность и плотность ремонтируемой поверхности, а также контролировать степень ремонта и содержание влаги в отремонтированных участках. Обеспечивать качество заполнения песком, избегая образования шероховатых и рыхлых участков. Равномерно наносить покрытие на песчаную форму, обеспечивать толщину покрытия и полностью высушивать покрытие форм с поверхностной сушкой. Рационально контролировать количество разделительного состава, чтобы избежать ослабления поверхностной прочности песчаной формы. Обеспечивать достаточное покрытие поверхности модели облицовочным песком и избегать контакта холодных и горячих материалов.
3.7 Контроль состава металла
При выплавке сплавов строго контролировать состав, снижать содержание элементов, легко образующих текучие оксиды металла, и избегать легкоплавких компонентов в сплаве. Для сплавов, требующих высоких температур заливки, оптимизировать процесс заливки, чтобы уменьшить влияние температуры заливки на механический пригар.
3.8 Строгое соблюдение операций заливки
Строго контролировать температуру заливки, чтобы избежать повышения текучести и окисления расплава чугуна вследствие чрезмерно высокой температуры. Рационально контролировать высоту разливочного ковша, чтобы уменьшить металлостатический напор и снизить вероятность проникновения металла или оксида металла в поры песчаной формы.
4. Заключение
Возникновение дефектов механического пригара в отливках, получаемых методом литья по газифицируемым моделям, является результатом совокупного воздействия множества факторов. Благодаря комплексному анализу таких аспектов, как проектирование отливки и модели, модель, опока, литниковая система и система прибылей, формовочная смесь, формовка, состав металла и заливка, а также применению соответствующих системных мер предупреждения можно эффективно снизить частоту возникновения дефектов механического пригара, повысить качество и производительность отливок, получаемых методом литья по газифицируемым моделям, а также обеспечить литейным предприятиям более высокую экономическую эффективность и конкурентоспособность на рынке. В реальном производстве предприятия должны постоянно оптимизировать меры предупреждения с учётом особенностей собственного процесса и производственных условий, чтобы обеспечить качественное развитие технологии литья по газифицируемым моделям.