Материалы для литья по выплавляемым моделям. Точное литье по выплавляемым моделям в домашних условиях: технология, преимущества и недостатки. Как осуществляется процесс

Технологический процесс литья драгоценных металлов и сплавов, от изготовления модели до получения необходимого количества отливок, делится на следующие стадии:

1. Изготовление мастер модели.

2. Изготовление резиновых пресс-форм.

3. Изготовление восковых моделей.

4. Изготовление восковой елочки.

5. Изготовление литейных форм.

6. Заливка металла в опоку.

7. Очистка отливок.

Рассмотрим каждую стадию в отдельности.

1.Изготовление мастер-модели.

Для дублирования ювелирных изделий методом литья необходимо изготовление мастер-модели будущих изделий. Мастер-модель изготавливается из специального воска, пластика или металла. Модели, изготовленные из модельного воска или пластика, отливают из металла и обрабатывают.

Металл, из которого делают мастер-модель, может быть различным – латунь, медь, золото, серебро, платина или любой другой твердый металл с температурой плавления более 300 градусов Цельсия. Мастер-модель изготавливают с учетом усадки резины, воска и металла. Нельзя допускать ошибки и неточности при изготовлении мастер-модели, так как, все дублированные изделия будут повторять эти ошибки и неточности.

На законченную мастер-модель желательно нанести слой никеля, родия или сплава «олово-никель».

Мастер-модель должна быть толще, чем готовое ювелирное изделие примерно на 10%, что бы учесть усадку резины, воска и золота, а так же припуски на опиловку и полировку. Например, мастер-модель для кольца размером 16 должна быть изготовлена размером 16,5.

После изготовления мастер-модели, к ней припаивают литниковый стержень диаметром 2-3,5 мм. Концы литниковых стержней делают в форме конуса по размеру подходящему к соплу воскового инжектора.

Литниковая система должна обеспечить правильное распределение воска, и в конечном итоге, металла к различным частям отливки, не допустив при этом разрушения формы, а так же завихрения при движении металла по литнику.

2 Изготовление резиновых пресс-форм.

Для получения резиновой пресс-формы необходимо иметь следующее оборудование и материалы.

1. Вулканизационный пресс.

2. Формовочную резину.

3. Металлическую прямоугольную обойму (формовочную опоку).

4. Формовочный нож.

5. Держатель для пресс-формы.

Вулканизационный пресс состоит из винтовой пары с маховиком, двух нагревательных плит и системы терморегулирования. Пресс предназначен для вулканизации сырой резины, которую устанавливают между двумя нагретыми плитами.

Модельная резина, используемая для изготовления пресс-форм, не должна вызывать коррозию мастер-модели и должна обладать хорошими эластичными свойствами. Резины используемые для изготовления пресс-форм бывают каучуковые и силиконовые. Кроме того, они подразделяются на усадочные и безусадочные.

Прямоугольная обойма (формовочная опока) изготавливается в разборном и цельном вариантах из легкого металла, например алюминия. Размеры отверстий опок могут быть различными в зависимости от формы мастер-модели. Кроме того, формовочная опока должна иметь широкие стенки, что бы она не ломалась при давлении вулканизатора.

Формовочный нож – это нож с лезвиями хирургического типа со стальной или пластмассовой ручкой, в которой имеются пазы для закрепления лезвий. Для разрезки формы применяют три типа лезвий – прямые заточенные с одной стороны, прямые заточенные с двух сторон и кривые. При разрезке резиновых пресс-форм очень важно, что бы лезвие было остро заточенное. Тупое лезвие приводит к облоям, создает заусеницы на восковках.

Держатели используются при разрезке резиновых пресс-форм. Они изготавливаются из металла и имеют обычно форму бельевой прищепки с острыми зубцами. Держатель крепко схватывает резину, что позволяет оттягивать ее при разрезке.

Силиконовые резины.

Силиконовые резины разработаны для изготовления пресс-форм, с использованием вулканизатора с температурой вулканизации 165-177 градусов Цельсия.

Технология изготовления резиновых пресс-форм из силиконовой резины.

1. Закрепить мастер-модель в формовочную опоку.

2. Разметить заготовки сырой резины.

3. Нарезать заготовки сырой резины.

4. Заполнить опоку резиной.

5. Установить опоку между двумя металлическими пластинами.

6. Вулканизировать опоку в течении 30-90 минут в зависимости от толщины при температуре 165-177 градусов Цельсия.

7. Извлечь пресс-форму из опоки.

8. Разрезать пресс-форму на две части.

9. Извлечь модель из пресс-формы.

Жидкие силиконовые резины.

Жидкие силиконовые резины разработаны для изготовления резиновых пресс-форм без использования вулканизатора. Затвердевание жидкой резины при комнатной температуре позволяет изготавливать модели, для которых температура и давление оказывают пагубное воздействие. Жидкие резины затвердевают около суток и практически не дают усадки.

В России с использованием импортных компонентов производится жидкая силиконовая резина ЛАСИЛ-Т. Это прозрачная высокопрочная двухкомпонентная резина холодного отверждения. Прозрачность резиновых форм изготовленных из ЛАСИЛ-Т существенно облегчает их разрезку, а также позволяет контролировать заливку воска.

Технология изготовления резиновых пресс-форм из жидкой резины.

1. Подготовить модель к заливке резиновой смесью. Для этого надо очистить ее поверхность от посторонних частиц, смазать вазелином или мыльным раствором для облегчения последующего отделения резины от модели.

3. Тщательно перемешать компоненты шпателем, избегая при этом перегрева смеси выше 35 градусов Цельсия.

4. Вакуумировать смесь 1-2 минуты для удаления пузырьков воздуха. Для этого необходимо поместить смесь в вакуумную камеру, добиваясь «поднятия» смеси (увеличения объема) и последующего «опадания».

5. Аккуратно залить приготовленную смесь в формовочную опоку поверх модели, избегая при этом захвата воздушных пузырьков. При комнатной температуре смесь полимеризуется за 18-24 часа. При повышении температуры смесь полимеризуется существенно быстрее, но при этом заметно увеличивается усадка резины.

6. Извлечь резиновую пресс-форму из формовочной опоки.

7. Разрезать пресс-форму на две части и извлечь модель.

3. Литье воска под давлением.

Воск нагнетается в резиновую пресс-форму при помощи воскового инжектора.

крышка

Нагревательный элемент

Схема воскового инжектора

Для повышения качества изготовления восковых моделей, многие процессы в современных восковых инжекторах автоматизированы. Литейщик только один раз подбирает все необходимые параметры для заполнения пресс-формы воском. В последующем все операции, включающие в себя сжатие половинок пресс-формы, доставка ее к соплу, центровка и заполнение формы воском происходит автоматически. Кроме того, инжектора снабжаются вакуумным блоком, с помощью которого внутри пресс-формы создается разрежение, что способствует лучшему растеканию воска в полости пресс-формы. Разборка пресс-формы и извлечение восковой модели производится вручную. Современные восковые позволяют:

· Контролировать температуру воска с точностью до 1©.

· Удалять воздух из пресс-формы, обеспечивая безупречное ее заполнение воском.

· Обеспечивать получение любых восковых моделей, как толстых, так и тонких, и любой степени сложности.

· Уменьшить процент отходов воска.

Инжекторные воски.

Сырьем для получения восковых моделей являются инжекторные воски различных марок, выпускаемые в плитках и гранулах, различающиеся по свойствам и соответственно по цвету.

Все сорта инжекторных восков безопасны, не токсичны и не канцерогенны.

Для достижения оптимальных результатов необходимо правильно выбирать сорт воска, учитывая при этом характеристики формы и производственные требования. К каждой разновидности форм и к каждому сорту воска предъявляются свои требования относительно давления, температуры и времени выдержки. Правильная комбинация этих составляющих может быть найдена только экспериментальным путем.

Кроме того, надо учитывать, что характеристики формы меняются при повторном нагнетании в нее горячего воска. Правильная комбинация данных для холодной формы может оказаться неправильной при повторном использовании. Таким образом, промежуток времени необходимый для охлаждения пресс-формы между нагнетаниями в нее воска, так же является одной из составляющих процесса изготовления восковых моделей.

Технология изготовления восковых моделей.

1. Заполнить инжектор воском.

2. Включить инжектор и расплавить воск.

3. Установить температуру воска необходимую для заполнения конкретной формы. (62-72©).

4. Установить на входе регулирующего клапана инжектора необходимое давление (0,2-1,0 кг/кв.см.) в зависимости от формы и толщины модели.

5. Заполнить пресс-форму модельным воском.

6. Охладить пресс-форму в течение 2-3 минут и извлечь восковую модель.

7. Для получения большого количества восковых моделей процесс повторяется многократно.

Восковую модель из пресс-формы необходимо удалять сразу же после затвердевания, то есть через несколько минут после нагнетания. Если оставить восковую модель в резиновой пресс-форме надолго, то он высыхает. При этом портится пресс-форма, а воск становится слишком хрупким и ломким, что приводит к порче восковой модели.

Дефекты восковых моделей.

Вид дефекта	Причина возникновения	Способ устранения
Воздушные пузырьки в модели	Недостаточное количество воска в инжекторе	Заполнить инжектор воском
Воск слишком горячий или холодный	Отрегулировать температуру воска
Недостаточный контакт между пресс-формой и соплом инжектора	Установить пресс-форму параллельно плоскости основания инжектора
Давление слишком высокое	Понизить давление
Форма не заполняется	Давление слишком низкое	Повысить давление
Воск холодный	Повысить температуру воска
Литниковый канал слишком мал	Увеличить литниковый канал
Инжектор забит	Очистить сопло инжектора
Форма не заполняется	Недостаточный отвод воздуха из формы (воздушные пробки в форме)	Подправить надрезы в форме
	Очистить надрезы формы
Форма переполняется	Давление слишком высокое	Понизить давление
Форма не закрыта должным образом	Закрыть форму правильно
Воск слишком горячий	Понизить температуру воска
Время нагнетания воска слишком велико	Сократить время нагнетания
Восковая модель липкая, легко деформируется	Форма вскрыта слишком рано	Увеличить время остывания формы
Воск слишком горячий	Понизить температуру воска
Усадки выше нормы	Форма слишком холодная	Нагреть форму
Температура воска слишком высокая	Понизить температуру воска
Давление слишком низкое	Повысить давление
	Заменить воск
Недостаточная чистота поверхности	Форма слишком холодная	Нагреть форму
Температура воска слишком низкая	Увеличить температуру воска
Воск оплавляется (заусенцы на поверхности модели)	Давление слишком высокое	Понизить давление
Форма не собрана должным образом	Правильно собрать форму
Половинки формы слабо сдавлены между собой	Придавить форму сильней
Воск слишком горячий	Понизить температуру воска
Надрезы формы заплавлены, засорены или забиты воском	Очистить надрезы формы
Недостаточно надрезов	Сделать дополнительные надрезы
Трещины в восковой модели	Время остывания восковой модели слишком велико	Сократить время остывания
Выбран хрупкий сорт воска	Выбрать более пластичный воск
Форма разрезана не должным образом. Извлечение восковой модели затруднено	Переделать пресс-форму для достижения легкого извлечения модели
Оседание (для крупных моделей)	Неправильно выбран сорт воска	Выбрать воск с меньшей степенью усадки
Время нагнетания воска слишком мало	Увеличить время нагнетания воска
Давление слишком низкое	Повысить давление
Слишком узкое литниковое отверстие	Увеличить литниковый канал
Воск слишком горячий	Понизить температуру воска

4. Изготовление воскового дерева.

Изготовленные восковые модели собираются в единый блок – восковое дерево. Для изготовления воскового дерева требуется следующее оборудование и материалы.

· Восковый стояк

· Резиновая подставка - уплотнитель

· Держатель для воскового дерева

· Электрошпатель

Для изготовления воскового стояка используется специальный (литниковый) воск, который при выжигании выгорает быстрее, чем воск, из которого изготовлены модели. Это способствует свободному вытеканию восковых форм из литьевой опоки.

Стояк должен быть достаточно толстым (диаметр 5-7мм.), что бы жидкий металл, прежде чем затвердеть, смог достичь самых тонких частей модельной полости. Восковый стояк предназначен: для крепления (припаивания) восковых моделей; удаления воска при выжигании и вытапливании; движения расплавленного металла в модельную полость; подпитки отливок в процессе кристаллизации; уменьшения турбулентности при движении расплавленного металла по полости литейной формы. Изготавливается восковый стояк путем нагнетания литникового воска в металлическую пресс-форму при помощи воскового инжектора.

Резиновая подставка уплотнитель предназначена для уплотнения литейной формы (опоки), предотвращения вытекания формовочной массы и крепления воскового дерева внутри литейной формы. Представляет собой резиновый круг с наружными стенками, соответствующими по внутреннему диаметру наружному диаметру опоки, и глухим отверстием в середине круга предназначенным для крепления воскового дерева. Изготавливается путем вулканизации сырой резины в специальных, заданных размеров и конфигурации формах.

Держатель для воскового дерева предназначен для удобного припаивания восковых моделей на восковый стояк. Держатель устроен так, что бы при сборке воскового дерева, восковый стояк с уплотнителем можно было поворачивать вокруг нескольких осей. Это обеспечивает, при сборке дерева, доступ электрошпателем к любой точке воскового стояка, исключая повреждение уже напаянных восковых моделей.

Электрошпатель предназначен для припаивания восковых моделей к восковому стояку. Представляет собой обыкновенный паяльник с набором наконечников различной конфигурации и устройством для регулировки температуры.

Технология сборки воскового дерева.

1. Изготовить восковый стояк.

2. Закрепить восковый стояк на резиновую подставку – уплотнитель.

3. Установить восковый стояк с уплотнителем на держателе.

4. Прикрепить к стояку по кругу восковые модели при помощи электрошпателя. Угол между восковым стояком и литником восковой модели должен быть равен от 45 до 80 градусов. Расстояние между ближайшими точками соседних моделей не менее 3 мм. При креплении восковок к литнику необходимо сначала сделать в нем лунку с помощью электрошпателя. Затем вставить в эту лунку литник восковой модели, и пропаять, проводя наконечником нагретого электрошпателя вокруг места контакта литников.

1. Восковое дерево должно собираться из восковых моделей приблизительно одинаковой толщины стенок в сечениях. Это необходимо потому, что при заливке металла в опоку в зависимости от толщины стенок восковых моделей устанавливается температура заливки сплава, то есть для моделей с толстыми стенками температура заливки меньше, чем для моделей с тонкими стенками.

2. Если все же необходимо отливать модели с тонкими и толстыми стенками одновременно, то тонкие модели следует располагать на вершине елочки и ближе к стволу, а толстые внизу и ближе к внешней стороне. Огнеупорная смесь (формовочная масса) у краев опоки имеет более низкую температуру (что нужно для толстых моделей), чем в центре опоки.

3. Толстые восковые модели не должны размещаться на елочке своими большими поверхностями близко друг к другу. Надо устанавливать модели так, что бы малые поверхности одних моделей располагались около больших поверхностей других. Когда металл залит в опоку, большие поверхности, расположенные близко друг к другу, будут дольше остывать из-за излучения тепла друг от друга. Это может привести к порам в отливке.

4. При изготовлении воскового дерева модели следует располагать под острым углом к восковому стояку. Такое расположение облегчает выжигание воска, а так же способствует плавной заливке расплавленного металла по всем полостям литейной формы.

5. Расстояние от верхушки литниковой чаши до нижнего ряда восковых моделей должно составлять не менее 10мм. Нижний ряд воскового дерева, расположенный непосредственно около литниковой чаши, не всегда хорошо заполняется металлом, то есть, возможно образование недоливов.

6. Изготовление литейных форм.

Следующий этап работы заключается в том, что восковое дерево, помещают в опоку и заливают огнеупорной гипсовой смесью (формовочной массой).

Формовочная масса состоит их химически чистого кристоболита, высокопрочного гипса, кремнезема, а так же модифицирующих веществ (замедлителей), регулирующих скорость затвердевания гипса.

Кристоболит – это минерал вулканической породы, его получают, нагревая кремнезем до температуры 1470-1670©. Формовочная масса, содержащая кристоболит не растрескивается при заливке расплавленного металла.

Гипс – используется в формомассе как связующий материал.

Кремнезем – это двуокись кремния SiO2. Он действует на огнеупорную смесь как стабилизирующий фактор при нагревании для выжигания воска и охлаждения непосредственно перед отливкой.

Модифицирующие вещества – это специальные добавки (борная кислота, сернокислый алюминий, мочевина и т.д.) которые снижают окисляемость сплавов, а так же замедляют схватывание гипса.

При выборе формовочной массы необходимо обращать внимание на следующие ее характеристики:

1. Формомасса должна выдерживать требуемую для ее прокаливания температуру (760©), не давая при этом трещин.

2. Формомасса должна выдерживать температуру заливки металла (для золота около 1020©), а так же давление расплавленного металла, который затекает в форму с большой скоростью.

3. Формомасса не должна содержать химически вредных веществ, которые могут привести к коррозии или окислению опоки и отливок.

4. Формомасса должна позволять быстрое и легкое извлечение отливок из опоки после литья.

В настоящее время имеются превосходные формовочные смеси, выпускаемые различными зарубежными фирмами:

1. KERRCast (США)

Предназначена для работы с золотом и серебром. Имеет мелкозернистую структуру. В силу своих превосходных характеристик, на сегодняшний день является самой используемой ювелирами. Позволяет легко отделять форму в холодной воде.

Основные характеристики:

Время работы:……………………………..9-10мин.

Максимальная температура обжига:……..не более760©.

Температура металла при заливке:………не более 1093©.

2. Hoben International (Англия)

GoldStar 21 и GoldStar Ultima

Представляют собой формовочные смеси повышенной термической стойкости. При характеристиках близких к SatinCast 20 имеют более низкую цену. GoldStar Ultima специально разработана для высокотемпературных сплавов, таких как белое золото и другие сплавы температура плавления которых не превышает 1300©.

Основные характеристики:

Время работы:……………………………..7,5-9мин.

Время прокаливания опоки:……………...не менее 6 часов.

Максимальная температура обжига:…….не более740©.

Время работы:……………………………..9-11мин.

Время затвердевания опоки:……………..10-11мин.

Время прокаливания опоки:……………...не менее 6 часов.

Максимальная температура обжига:…….не более850©.

Температура металла при заливке:………не более 1300©.

3. SRS Ltd (Англия)

Eurovest-exstra, Eurovest-standart, Eurovest-E2

Имеют уникальный состав, разработанный для повышения устойчивости к термоудару во время циклов нагревания и охлаждения. У них высокие прочностные характеристики, они легко смачиваются и разводятся водой, давая при этом тонкую, жидкую консистенцию. Это приводит к образованию поверхностей высокого качества и позволяет использовать эти формомассы для всех металлов и их сплавов. Их можно использовать как для отливки крупных изделий, так и для тонкой филигранной работы.

Основные характеристики:

Время работы:……………………………..8-9мин.

Время затвердевания опоки:……………..11-12мин.

Время прокаливания опоки:……………...не менее 6 часов.

Максимальная температура обжига:…….не более 750©.

Температура металла при заливке:………не более 1100©.

Подготовка воскового дерева для заливки формовочной массой.

Прежде чем залить формовочную массу в опоку, глее установлено восковое дерево, необходимо провести обезжиривание восковых моделей.

Обезжиривание воскового дерева проводят в спирте или четыреххлористом углероде. Обезжиривание производится путем окунания воскового дерева 5-6 раз в ванну с раствором. Затем просушить восковое дерево на воздухе.

Обезжиривание воскового дерева можно производить так же и с помощью мыльного раствора. Его готовят, растворив 7-8 граммов стирального порошка в 1 литре теплой (35-40©) воды. После этого восковое дерево промывают в холодной воде и просушивают с помощью вентилятора.

Для обезжиривания можно так же использовать препараты изготовленные специально для этих целей:

Film-o-wax раствор, снижающий поверхностное натяжение. Наносится на восковые модели с помощью мягкой кисти или пульверизатором.

Rio-vacu-film смачивающий раствор, предотвращающий образование воздушных пузырьков на поверхностях моделей во время заливки формомассы.

На многих предприятиях не пользуются смачивающими растворами, считая, что хорошее вакуумирование опок достаточно для получения хорошего результата. Однако практика показывает – без использования смачивающих растворов – нельзя получить качественные отливки.

Опоки для литья.

Опоки для литья это трубы из нержавеющей стали разного диаметра и разной высоты. Опоки для вакуумного литья имеют более сложную форму. На поверхности этих опок имеется множество отверстий, через которые происходит всестороннее вакуумное всасывание и быстрое остывание краев опоки после заливки расплава.

Опоки должны плотно входить в резиновые уплотнители, что бы не было утечки формомассы. Перед использованием, опока должна быть тщательно очищена от остатков старой формомассы, а внутреннюю ее поверхность необходимо очистить от ржавчины с помощью железной щетки. Размеры опок выбирают в зависимости от количества отливок, их габаритов и возможностей литейной машины. Опока размером 100x150 означает, что она имеет диаметр 100мм. и высоту 150мм.

Технологический процесс получения литейных форм

Состоит из следующих технологических операций:

1. Приготовление водяной суспензии.

2. Перемешивание смеси.

3. Вакуумирование смеси

4. Вибровакуумирование.

5. Вытапливание воска.

6. Отжиг опоки.

Приготовление водяной суспензии.

Для приготовления водяной суспензии рекомендуется соотношение «порошок-вода» 100-40 или 100-38. Это означает, что для приготовления суспензии следует 100 грамм порошка смешивать с 40 мл. или с 38мл. воды. Соотношение 100-38 используют для обычного литья, а 100-40 для литья тонких филигранных изделий. Воду отмеряют с помощью мерительной емкости, а порошок взвешивают на весах.

Температура суспензии должна быть около 20©.

Для определения массы воды требуемой для заполнения опоки, содержащей восковые модели, надо осторожно залить опоку водой комнатной температуры, а затем вылить воду в мензурку. Если известна масса воды, требуемой для заливки в опоку, то массу порошка можно вычислить следующим образом:

Заливаем опоку

Перемешивание смеси

Перемешивают порошок с водой, с целью получить однородную массу при помощи миксера. При длительном и тщательном замешивании ускоряется процесс схватывания, и получаются качественные отливки с более гладкими поверхностями. Нельзя перемешивать смесь слишком быстро. Это приводит к поднятию воды в верхнюю часть опоки, поскольку она легче, чем порошок формомассы и как следствие, к образованию дефектов на отливках.

Вакуумирование смеси.

Полученная суспензия помещается под вакуумный колпак для удаления воздуха из суспензии. Если воздух из суспензии не удалить, то он прилипает к восковым моделям в виде воздушных пузырьков, что приведет к дефектам на отливках. Вакуумирование производится при давлении 1400Па в течение 2-3 минут.

При вакуумировании суспензии, воздух из-под колпака удаляется за счет снижения давления. Когда давление над суспензией достаточно понизится, суспензия в емкости начнет кипеть, что приведет к полному удалению из нее воздуха. Затем суспензию медленно, что бы не поломать восковые модели заливают в опоку до тех пор, пока уровень суспензии не поднимется не менее чем на 10мм. выше восковых моделей.

Опоки, залитые суспензией помещают под вакуумный колпак, установленный на вибрационном столе. Вибрация и одновременное вакуумирование позволяют суспензии полностью обтекать восковые модели, и окончательно удаляет пузырьки воздуха. Процесс продолжается от 1 до 2 минут при давлении 1400 Па. За это время суспензия снова сильно поднимается, затем оседает и начинает кипеть.

Современное оборудование позволяет объединить операции приготовления, вакуумирования, перемешивания и заливки опок суспензией в единую операцию при помощи вакуумного миксера. Вакуумный миксер удаляют газы из компонентов перед смешиванием, смешивает и вакуумирует суспензию, имеет устройство для заливки и вакуумирования опок. Он позволяет менять скорости перемешивания в зависимости от типа формомассы, а так же программировать время перемешивания, параметры вакуумирования и виброобработки.

Вытапливание воска и обжиг опоки.

После того как формомасса затвердеет, надо снять с нее резиновую подставку уплотнитель и удалить излишки формомассы на ее краях и боковых стенках. Модельный воск вытапливается паром, или в прокалочной печи во время обжига опоки. Операция вытапливания воска с последующим обжигом является важнейшей фазой в литейном деле. Поэтому обжиг опок необходимо проводить в строгом соответствии с разработанными режимами прокаливания формовочных масс. Рекомендуемый изготовителем режим прокаливания обычно прилагается к каждой упаковке с формовочной массой. При отклонении от указанных режимов прокаленные опоки могут дать трещины, неровности и другие дефекты на отливках. При температуре 90-100© большая часть воска расплавляется и вытекает через литниковое отверстие. Пар, образующийся в результате нагревания опоки с влажной формомассой, помогает удалению воска из полостей формы. Оставшаяся часть воска при последующем нагревании до 550© превращается в сажу. При температуре 750© сажа соединяется с кислородом воздуха, образуя газообразное соединение, и полностью удаляется. При этом печь должна вентилироваться. В современных производствах используются прокалочные печи с программируемыми регуляторами температуры. Преимущества таких печей заключаются в том, что они позволяют экономить рабочее время. Запрограммировав печь, можно прокаливать опоки в нерабочее время, подготавливая их к заливке на следующий день.

1. Опоки, залитые формовочной массой нельзя долго хранить в холодной печи. Если залитые опоки нужно хранить долго, то их заворачивают в мокрые тряпки. Если формомасса высохнет, то при вытапливании воска из опоки он будет впитываться в поры формомассы, осложняя в последствии процесс заливки опок расплавленным металлом.

2. При вытапливании воска из опоки ее необходимо медленно прогреть до 200©. В противном случае, если прогревание вести быстро, то пар, образовавшийся в модельных полостях, расширяется быстрее, чем выходит через литниковое отверстие, и как следствие может произойти деформация модельных полостей, что приведет к браку отливок.

3. Камера печи, где происходит обжиг опок, должна вентилироваться. При этом печь должна вентилироваться. Недостаточная вентиляция прокалочной печи, приводит к забиванию пор формомассы золой, в особенности при большом количестве одновременно прокаливаемых опок, или при очень кратковременных циклах обжига опок.

4. Нельзя нагревать опоку выше максимальной температуры указанной фирмой изготовителем (как правило, 760©), При превышении максимальной температуры происходит разрушение гипсовой связки, кроме того, металл, залитый в такую опоку, будет медленно остывать, что приводит к пористости и плохой чистоте поверхности отливок.

KEER полный цикл 100х200мм.

2 часа 149©

2 часа 371©

2 часа 482©

4 часа 732©

2 часа температура заливки (580©)

При литье по выплавляемым моделям с принудительной заливкой металла в форму применяются различные литейные установки и устройства: центробежные литейные установки, ваккумные литейные установки, центробежно-ваккуумные литейные установки.

План лекции

1. Основные операции получения отливки.

2. Технология изготовления моделей и керамических форм. Заливка

форм, обрубка и очистка отливок.

3. Механизация и автоматизация процесса. Контроль отливок.

Литье по выплавляемым моделям (ЛВМ) – способ получения отливок в многослойных оболочковых неразъемных керамических формах, изготовляемых с использованием выплавляемых, выжигаемых или растворяемых моделей однократного использования.

Сущность способа получения отливок по выплавляемым моделям состоит в том, что модель отливки и модель литниковой системы изготовляют из легкоплавких материалов путем запрессовки их или заливки их в пресс-формы. Затвердевшую модель извлекают из пресс-формы, припаивают к литниковой системе, образуя модельный блок. На поверхность модельного блока наносят несколько слоев суспензии и обсыпки, которые после сушки создают на блоке высокоогнеупорную керамическую оболочку. Выплавив из оболочки модельный состав, получают тонкостенную оболочку литейной формы отливки. Полученную оболочку формуют в специальных неразъемных опоках, прокаливают и заливают расплавом.

Способ получения отливок по выплавляемым моделям дает возможность:

Получать отливки, максимально приближенные по форме и размерам с высокой чистотой поверхности;

Получать отливки с минимальным припуском на обработку из любых сплавов, в том числе не поддающихся ковке и штамповке и трудно обрабатываемых механической обработкой;

Объединять отдельные детали в компактные цельнолитые узлы;

Создавать конструкции (например, лопатки ГТД со сложными лабиринтными полостями газового тракта), невыполнимые какими-либо другими методами обработки.

Все вышеперечисленные преимущества способа литья по выплавляемым моделям в полной мере могут быть реализованы только при условии, что детали сконструированы с учетом особенностей этого способа, т.е. они технологичны для литья по выплавляемым моделям

Литниково-питающая система при литье по выплавляемым моделям

Как известно, литниково-питающая система (ЛПС) должна обеспечить оптимальные условия заполнения формы и получение отливок без литейных дефектов, при минимальном расходе металла на ЛПС. Особенность ЛПС при литье по выплавляемым моделям состоит в том, что она выполняет три основные задачи:

ЛПС является несущей конструкцией, обеспечивающей прочность модельного блока и сохранность моделей отливок на всех технологических операциях, предшествующих выплавлению моделей из формы.

В период затвердевания отливок, элементы ЛПС одновременно выполняют роль прибыли, поэтому должны присоединяться к наиболее массивным частям отливки.

Кроме того, конструкция ЛПС должна обеспечить направленное затвердевание отливок от наиболее тонких частей к массивным.

Изготовление пресс-форм

При конструировании пресс-форм необходимо учитывать следующее:

Материал пресс-формы должен обеспечить ее прочность, а моделям высокую точность и малую шероховатость поверхности;

Пресс-форма должна иметь минимальное число разъемов;

Расположение внутренних частей пресс-формы должно быть таким, чтобы модели надежно, удобно и быстро извлекались из пресс-формы;

Необходимо обеспечить возможность свободного выхода воздуха из полости пресс-формы в момент заполнения ее модельным составом;

Конструкция пресс-формы должна обеспечить прочность крепления ее частей.

Выбор типа пресс-форм зависит от точности, предъявляемой к отливкам, свойств модельного состава и характера производства. в зависимости от сложности отливаемых изделий и их числа пресс-формы могут быть изготовлены из стали, легкоплавких сплавов, гипса, пластмассы, и резины.

Гипсовые пресс-формы применяют при художественном литье. В машиностроении применение гипсовых пресс-форм целесообразно при отливке небольшой серии сложных по форме деталей.

При изготовлении больших серий деталей применяются пластмассовые пресс-формы и пресс-формы из легкоплавких сплавов методом заливки на эталон.

Резиновые пресс-формы позволяют изготовить сложные изделия и применяют при изготовлении ювелирных изделий.

В массовом и крупносерийном производстве изделий применяют сложные стальные или алюминиевые пресс-формы, которые позволяют за одну операцию запрессовки получать несколько моделей, соединенных литникой системой в единую секцию.

Модели и модельные составы

К наиболее важным характеристикам готовой модели относятся механические характеристики, геометрическая точность размеров, шероховатость и твердость поверхности. Модельные композиции должны обладать свойствами, обеспечивающими высокое качество моделей, а, следовательно, и отливок. Для получения выплавляемых моделей высокого качества модельные состава должны обладать следующими основными свойствами:

Иметь достаточную прочность, твердость и теплостойкость, не размягчаться при температуре рабочего помещения;

Иметь необходимую жидкотекучесть, хорошо заполнять полость пресс-формы, четко воспроизводя ее рабочую поверхность;

Быстро затвердевать в пресс-форме, хорошо выниматься из формы при разборе, и не взаимодействовать с материалом пресс-формы;

Хорошо смачиваться суспензией и не взаимодействовать с ней;

Быть безвредными для работающих;

Входящие в состав компоненты должны быть дешевые и недефицитные.

В качестве исходных материалов используют парафин, стеарин, воск, канифоль, церезин, полистирол и др. Применяемые модельные составы подразделяют:

По температуре плавления – на легкоплавкие и тугоплавкие;

По состоянию при введении в пресс-форму – на жидкие и пастообразные;

По способу удаления из оболочки – на выплавляемые, выжигаемые и растворимые.

Выплавляемые легкоплавкие составы применяют для моделей небольших отливок и приготовляют в основном из парафина и стеарина. Преимуществом такого модельного состава является удобство выплавления моделей, возможность повторного использования выплавленного из форм модельного состава, недостатком является низкая температура размягчения и невысокая прочность моделей. Тугоплавкие модельные составы применяют для моделей крупных отливок с повышенной точностью размеров и прочностью поверхности. В качестве добавок, повышающих прочность, теплостойкость и снижающих хрупкость используют касторовое масло, полиэтиленовые воски, этилцеллюлозу и др. Растворимые модельные составы приготовляют на основе технической мочевины с добавкой в качестве пластификатора 2%-ной борной кислоты. В состав выжигаемых модельных составов входят вспенивающиеся термопласты на основе полистиролов.

Процесс приготовления модельного состава. Очищенные от механических загрязнений куски парафина, стеарина и возврата в определенных соотношениях закладывают в рабочий бак электрованны и расплавляют. Перегревают на 5…10 ºС выше температуры расплавления модельного состава и выдерживают 2…7 мин для осаждения попавших загрязнений. После выдержки расплав фильтруется и переливается в мешалку. Здесь модельный состав охлаждается до пастообразного состояния, после чего подается для запрессовки моделей.

Изготовление моделей.

Выплавляемые модели изготовляют в пресс-формах путем заполнения их полости модельным составом. Модельный состав вводится в полость пресс-формы в жидком состоянии путем свободной заливки или запрессовки. Способ свободной заливки полости пресс-формы жидким модельным составом прост, не требует применение специального оборудования, дает возможность получать прочные, большие модели. Однако он имеет и свои существенные недостатки, такие как:

Малая производительность

Ограниченные возможности получения моделей с четким рельефом внутренней поверхности пресс-формы.

Поэтому для получения моделей деталей ответственного назначения, а также в производстве художественных и ювелирных отливок наиболее распространен способ изготовления выплавляемых моделей путем запрессовки модельного состава. При этом способе модели получают более четкий рельеф поверхности. Кроме того, такой способ заполнения пресс-форм более производителен, т.к. позволяет использовать модельные составы в пастообразном (охлажденном) состоянии. Для запрессовки модельного состава применяется специальное оборудование, это – ручные шприцы, инжекционные установки, пневматические, гидравлические и рычажные прессы.

После затвердевания и охлаждения модели, ее извлекают из полости пресс-формы, поверхность модели очищают от облоев и швов. После чего, осуществляют сборку моделей в блоки либо припаиванием электропаяльником, либо склеванием. В производстве литья по выплавляемым моделям небольшие изделия отливают по нескольку штук в одной форме (4…12 шт. в машиностроении; до 100 шт. в ювелирном производстве).

При припаивании модели к стояку необходимо учитывать:

Прочность крепления модели на стояке;

Возможность полного выхода их формы модельного состава при выплавлении модели;

Устойчивость положения модельного блока при сушке и хранении.

Изготовление керамических оболочек Основой литейной формы при ЛВМ является многослойная неразъемная керамическая оболочка, изготовленная по разовым моделям. Оболочку изготовляют обычно последовательным нанесением на модельные блоки слоев суспензии (обычно этилсиликаты) и порошков огнеупорной основы (пылевидный кварц, электрокорунд, циркон). Размер зерен обсыпки составляет 0,1…1,5 мм. Каждый слой оболочки просушивают до удаления влаги. Обычно для получения оболочки необходимой прочности наносят 3…8 слоев.

После чего модельный состав выплавляют:

В ваннах с горячей водой;

С помощью подогретого воздуха или пара, направляемого в литниковую чашу;

В печах, применяемых для прокаливания форм.

Керамическая оболочка перед заливкой подвергается нагреванию для вытапливания воска, а затем и прокаливанию при высоких температурах (до 1000 ºС). Полученная оболочка огнеупорна, обладает необходимой прочностью и газопроницаемостью, имеет рабочую полость с поверхностью очень малой шероховатости и точными размерами, четко воспроизводя конфигурацию отливаемой детали.

Такая оболочка может быть единственной частью литейной формы или сочетаться с опорным наполнителем, который применяется с целью упрочнения оболочки.

Основные операции получения отливки

Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в использовании точной неразъемной разовой модели, по которой из жидких формовочных смесей изготовляется неразъемная керамическая форма. Перед заливкой расплава модель удаляется из формы выплавлением, выжиганием, растворением или испарением; для удаления остатков модели и упрочнения форма нагревается до высоких температур. Модель или звено моделей изготовляют в разъемной пресс-форме, рабочая поверхность которой имеет конфигурацию отливки с припусками на усадку и механическую обработку.

Модель изготовляют из материалов с невысокой температурой плавления (воск, парафин, стеарин), способных растворяться (карбамид) или сгорать без образования твердых остатков (полистирол). Готовые модели или звено моделей собирают в блоки, литниковые системы которых выполняют из того же материала, что и модели. Блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью – суспензией для оболочковых форм, состоя щей из пылевидного кварца или электрокорунда и связующего. Для упрочнения этого слоя и увеличения его толщины на него наносят слой огнеупорного зернистого материала (кварцевый песок, электрокорунд, шамот). Операцию нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения оболочки требуемой толщины (3–10 слоев).

Каждый слой высушивают на воздухе или в парах аммиака, что зависит от связующего. После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавлением, растворением, выжиганием или испарением. Для упрочнения перед заливкой оболочковую форму помещают в контейнер и засыпают огнеупорным материалом. Для удаления остатков моделей и упрочнения связующего контейнер с оболочковой формой помещается в печь для прокалки. Прокаленную форму заливают металлом. После затвердевания и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки очищают от остатков керамики и производят обрезку литников.

Последовательность операций при изготовлении оболочковых форм по выплавляемым моделям показана на рис. 1.25. Отсутствие операции разъема формы, использование для изготовления моделей материалов, позволяющих не разбирать форму при удалении моделей, высокая огнеупорность материалов формы, нагрев ее до высоких температур перед заливкой дают возможность получать отливки сложней шей конфигурации, максимально приближающейся к конфигурации готовой детали, поэтому литье по выплавляемым моделям относится к прогрессивным материалом и трудосберегающим технологическим процессам обработки металлов.

Технология изготовления моделей и керамических форм.

Заливка форм, обрубка и очистка отливок

Изготовление моделей. Для изготовления выплавляемых моделей используют смеси и сплавы легкоплавких материалов, чаще всего органического происхождения. В качестве исходных материалов применяют буроугольный воск, церезин, парафин, стеарин, канифоль, этилцеллюлозу и др. Модельные составы должны обладать следующими свойствами:

температура плавления 60–100 °С;

температура размягчения 35–45 °С;

хорошая жидкотекучесть;

минимальная линейная и объемная усадка;

минимальная зольность и неприлипаемость к поверхности пресс-форм;

хорошая смачиваемость облицовочными составами;

минимальное выделение паров при нагревании и сгорании;

возможность многократного использования.

Технологический процесс приготовления модельного состава зависит от входящих в него компонентов. Чаще всего приготовление модельного со става и расплавление возврата производится в специальных термостатах с водяным обогревом.

Заполнение пресс-формы модельным составом осуществляется свободной заливкой расплавленной массы, запрессовкой в пастообразном со стоянии, заливкой и запрессовкой под высоким давлением. Основным способом изготовления моделей является запрессовка со става в рабочую полость пресс-формы. Это обеспечивает хорошую точность и чистоту поверхности моделей. Для выполнения этой операции применяют установки, на которых приготовление пасты из жидкого расплава и запрессовка модельной массы в пресс-формы производится автоматически.

На рис. 1.26 приведена схема запрессовки модельной массы в пресс форму. Перед запрессовкой модельной массы стенки пресс-формы смазывают касторовым или трансформаторным маслом, смешанным с этиловым спиртом. Готовые модели хранятся в холодной проточной воде или в термостатах. Одновременно с изготовлением модели отливки изготавливают модели элементов литниковой системы: стояка и воронки. Затем модели собирают в блоки («елки») с помощью припайки моделей отливки к моделям литниковой системы. Изготовление оболочки. Процесс изготовления литейной формы включает подготовку материалов, формирование огнеупорной оболочки на поверхности моделей, удаление модели из оболочки, формовку оболочки в наполнителе и прокалку формы.

Исходными материалами для изготовления оболочки являются кварцевый песок, пылевидный кварц, гидролизованный раствор этилсиликата и 15 %-й раствор едкой щелочи.

Этилсиликат – сложное химическое соединение, основой которого является эфир ортокремниевой кислоты, содержащий до 45 % окиси кремния. Для придания этилсиликату вяжущих свойств осуществляют операцию его гидролиза в смеси воды, этилового спирта или ацетона и соляной кислоты. В результате гидролиза образуется золь кремниевой кислоты, обладающий высокими вяжущими свойствами.

Огнеупорную суспензию рекомендуется готовить в специальных смесителях. В бак загружается пылевидный кварц и добавляется связующее – гидролизованный раствор этилсиликата. Смесь тщательно перемешивается до полного удаления пузырьков воздуха.

Суспензию наносят на блоки моделей окунанием их в ванну с суспензией, а на крупные блоки и модели – обливанием. В зависимости от характера производства и степени механизации блок моделей погружают в ванну вручную, с помощью манипуляторов или копирующих устройств на цепных конвейерах. Блок погружают так, чтобы с поверхности моделей, особенно из глухих полостей, отверстий могли удалиться пузырьки воздуха. Вынутый из суспензии блок моделей поворачивают в различных направлениях так, чтобы суспензия равномерно распределилась по поверхности моделей, а излишки ее стекли назад в бак. После этого модельный блок сразу обсыпается песком; между нанесением суспензии и обсыпкой песком не должно проходить более 10–15 с, так как суспензия быстро сохнет и песок не соединяется с ней. Суспензию в баке непрерывно перемешивают, чтобы предотвратить оседание огнеупорного материала. Для нанесения песка на слой суспензии используют погружение модельного блока в слой «кипящего» песка.

Установки для обсыпки блока моделей в слое «кипящего» песка (рис. 1.27) состоит из емкости с песком, в ее нижней части расположена полость 2, в которую подводится сжатый воздух. Полость отделена от емкости с песком 1 сеткой, на которой уложен слой войлока. Воздух, проходя через войлок, переводит песок во взвешенное состояние, и песок обсыпает модельный блок 3.

После нанесения каждого слоя суспензии и обсыпки его высушивают в потоке воздуха или в парах аммиака. Продолжительность сушки и обсыпки каждого слоя суспензии на воздухе составляет 2–4 ч, а в парах аммиака – 50–60 мин. Сушку производят в вертикальных или горизонтальных много ярусных сушилах.

В зависимости от материала моделей используют различные способы их удаления из оболочки. Модели из выплавляемых воскообразных составов удаляют из формы погружением блока моделей в горячую воду или ванну с модельным составом. Этот способ получил наибольшее применение на производстве. Полистироловые выжигаемые модели удаляются из форм выжиганием или растворением в бензоле, ацетоне. Выжигание сопровождается выделением большого количества паров стирола, углеводородов, сажи. Во всех случаях при выжигании, растворении полистироловых моделей должна быть обеспечена хорошая приточно-вытяжная вентиляция с последующей очисткой удаляемого в атмосферу воздуха.

После удаления из блока легкоплавкого модельного состава оболочки формуют в жаропрочной опоке; засыпают наполнитель, уплотняют его, а за тем форму прокаливают в газовых или электрических печах при температуре 850–900 °С и выдерживают при этой температуре не менее двух часов, после чего формы поступают на участок заливки.

Изготовление отливки. Заливка форм металлом может производиться различными способами в зависимости от размера и веса отливок, состава сплава, назначения отливок. Заливка может быть: свободная – металл заполняет форму под действием собственного веса; на центробежных машинах – металл заполняет форму и затвердевает под действием центробежных сил.

После охлаждения форм производят выбивку отливок на специальных установках с поворотом опок на 180° для того, чтобы из опок высыпался наполнитель. Отделение отливок от литников осуществляют следующими способа ми: на вибрационных установках; продавливанием стояка с отливками через обрезной штамп; отрезкой дисковыми и ленточными пилами; отрезкой газовыми горелками.

Очистка отливок от огнеупорного покрытия является очень трудоемкой операцией. На практике применяют вибрационную, пескоструйную, гидропескоструйную, химико-термическую в растворах щелочей и кислот, а также в расплавленных солях и другими способами. Механизация и автоматизация процесса. Контроль отливок Литье по выплавляемым моделям – процесс многооперационный.

Манипуляторные операции при изготовлении и сборке моделей, нанесение суспензии на модель и другие достаточно сложны и трудоемки, что осложняет автоматизацию процесса. Процесс состоит из ряда длительных операций, определяющих производительность: послойное формирование и сушка слоев оболочковой формы на модели, прокаливание формы.

Качество отливок, полученных данным способом, существенно зависит от стабильности качества исходных материалов для изготовления моделей, суспензии, формы, а также от стабильности режимов технологического процесса.

Это осложняет автоматизацию управления технологическим процессом. В зависимости от характера производства (единичное, серийное, массовое), номенклатуры отливок и предъявляемых к ним требований проблема автоматизации производства решается различно. В серийном производстве осуществляется автоматизация отдельных операций, таких, как изготовление моделей или звеньев модельных блоков, приготовление суспензии и др. В массовом производстве отливок используют автоматизированные линии, выполняющие следующие операции: приготовление модельных со ставов; изготовление моделей; приготовление суспензий; изготовление оболочек; их прокаливание; заливку расплава; очистку отливок. Такие линии позволяют комплексно автоматизировать все производство.

Контрольные вопросы и задания

1. Опишите технологические операции изготовления форм при литье по выплавляемым моделям.

2. Какие материалы используют для изготовления выплавляемых моделей?

3. Для каких целей используются пресс-формы в технологическом процессе литья по выплавляемым моделям?

4. Назовите состав жидкой формовочной смеси – суспензии для формирования оболочки.

5. Опишите процесс изготовления оболочки при литье по выплавляемым моделям.

6. Какие требования предъявляются к модельным составам?

7. Назовите способы заполнения пресс-форм модельным составом.

8. Для чего производят гидролиз этилсиликата при изготовлении оболочек?

9. При каких температурах производится выплавка модельного состава и прокалка форм перед заливкой?

10. Опишите достоинства и недостатки литья по выплавляемым моделям.

Лекция 18

Не всегда возможно изготовить требуемую стальную деталь методом штамповки или при обработке на токарном станке. В особенности это касается тонкостенных заготовок сложной формы. В таком случае применяется по выплавляемым моделям. Описание технологии будет полезно не только для общего развития – она может быть адаптирована для работы в домашних условиях.

Общая схема

Принцип литья по моделям заключается в предварительном изготовлении формы, которая после определенной обработки заливается металлом. Но для начала необходимо определиться с основными этапами этого процесса.

Обобщенная технологическая схема

Первое, что предшествует литью – изготовление формы. В заводских условиях для этого используют разъемные алюминиевые изложницы. Их конфигурация соответствует форме будущей заготовки, но имеет большие габариты. Обычно части изложницы изготавливают методом прессования алюминиевых заготовок.

Модель

В качестве материала изготовления первичной формы используют материал с низкой температурой плавления: парафин, стеарин, воск или этилцеллюлоза. При этом температура заливки не должна превышать 100°С. В твердом состоянии модельный состав обладает достаточной степенью пластичности, чтобы заполнить все пространство изложницы.

При сложной конфигурации изделия могут быть изготовлены несколько моделей, которые соединяются между собой путем незначительного нагрева торцевых частей.

Заполненная изложница

Форма

Поверх модели наносят специальный состав на основе керамики. Для лучшей термической сопротивляемости она обсыпается мелкозернистым песком с добавлением циркония. В зависимости от габаритов изделия этот процесс может повторяться от 3 до 7 раз. Минимальная толщина керамической формы должна составлять 7 мм.

Обработка керамическим составом

На этом этапе важно соблюдать следующие условия:

• Равномерное распределение состава по всей поверхности модели.
• Отсутствие внутренних пустот. Они приведут к неправильной конфигурации изделия.
• Критическая температура, при которой форма не изменит своих габаритов, должна быть больше, чем температура расплавленного металла. Обычно это от 900 до 1200°С.

По окончании формирования необходимо сделать отверстия для удаления парафинового материала. Формы помещаются в печь, где под воздействием высоких температур происходит испарение парафина. В случае надобности проводится дополнительный дожег керамической формы.

Готовая отливка

Основной проблемой литья по выплавляемым моделям в домашних условиях является частое появление дефектов формы при заливке в нее расплавленного металла. Поэтому предварительно ее поверхность нагревается до температуры заполняемой массы. При этом термическая обработка должна быть сделана равномерно по всей поверхности керамической заготовки.

В ранее сформированную горловину заливают металл. Остывание происходит при комнатной температуре. Не допускается принудительное остывание изделия.

Заливка металла

По истечении 4-6 часов можно удалить поверхностную керамическую оболочку. В промышленных условиях для этого используют вибрационную машину. Основательный этап – отсечение литника. В дальнейшем изделие может подвергаться обработке сжатым воздухом, шлифовке.

Области применения

Общее описание технологии не дает представление о практическом применении этой схемы. В настоящее время она используется в машиностроении и при изготовлении сложных конструкций. Учитывая высокую точность получаемых деталей и относительно низкую себестоимость их изготовления, литье по выплавляемым моделям активно применяется в следующих областях:

• Машиностроение, судостроение и приборостроение. Применяется относительно недавно, так как при изготовлении были проблемы с качеством сформированной формы. Появление этилсиликата позволило добиться требуемых показателей термической устойчивости и вязкости.
• Ювелирная промышленность. Так как температура плавления золота, серебра и бронзы значительно ниже, чем у стали – требования к качеству керамических заготовок дают возможность делать литье в домашних условиях.
• Зубопротезирование.

Ярчайшими примерами применения метода воскового литься являются памятники Санкт-Петербурга – Петру Первому и «Укротитель коней», установленный на Аничковом мосту. Соблюдение технологии и применение соответствующих составов позволяет добиться изготовления деталей, ювелирных украшений, произведений искусства высокой точности.

Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в следующем (рис. 69). На модель или блок из нескольких моделей 1, сделанную из воска или подобного материала, наносят несколько слоев (3-5) огнеупорного материала 2 сметанообразной консистенции с обсыпкой сухим мелким песком для прочности. После сушки формы модель из оболочки S выплавляют, оболочку прокаливают до 800 °С, заформовывают в опоку 4 и горячую форму заливают металлом 5
Таким способом удается получить литые (от нескольких граммов до 2 кг и более), сложной конфигурации тонкостенные (до 0,3 мм) детали с высокой чистотой поверхностей (4-6-й класс чистоты) и с повышенной точностью размеров по 7-9-му классу. Такие детали обычно применяют в конструкциях и механизмах без предварительной механической обработки, за исключением сопрягаемых поверхностей. По выплавляемым моделям получают, например, турбинные лопатки авиационных турбинных двигателей, различные детали автомобилей (массой от 0,3 до 2 кг), сложные детали приборов, крыльчатки различных насосов сложной формы и многое другое. Производство точного литья дает народному хозяйству экономию проката (примерно 1,5-2 т проката на каждой тонне литья) и высвобождает огромное число металлорежущего оборудования (станков).

Особенности этого способа литья - одноразовое использование моделей и керамической формы, отсутствие в форме разъемов, что исключает образование перекосов и заливов, отсутствие процесса расталкивания модели, а также заливка сплава в подогретую форму, что снижает опасность образования внутренних напряжений в отливках и повышает заполняемость. Однако стоимость отливок, полученных этим способом, значительно выше, чем при литье в песчаные формы, и цикл их изготовления более длителен. Чем механизированнее производство, тем отливки дешевле, поэтому в России работают (ГАЗ, ЗИЛ и др.) и строятся новые цехи с высокой степенью механизации и автоматизации процессов, со сравнительно высокой производительностью и годовым выпуском 2500-7000 т отливок.
Для приготовления модельных составов применяют смеси ПС (50 % парафина и 50 % стеарина) и ПВ (70 % парафина и 30 % воска); составы КПЦ (50 % канифоли, 30 % полистирола и 20 % церезина) и РЗ (60 % парафина, 22 % церезина, 12 % буроугольного воска, 6 % кубового остатка) и др. Модельные составы имеют низкие температуры плавления (60-100 °С), небольшие коэффициенты объемного расширения при нагреве (что обеспечивает стабильную точность размеров формы), сравнительно высокую прочность (23/28)*10в5 Па при изгибе (что не позволяет разрушаться деталям при изготовлении и монтаже), хорошую жидкоподвижность при запрессовке их в пресс-формы.
Для составления пастообразной модельной массы используют различные смесители в виде подогреваемых ванн с различными перемешивающими устройствами 6. В действующих цехах модельная масса состоит из свежих материалов (30-50 %) и возврата (70-50%). Модели изготавливают путем запрессовки модельной массы в металлические пресс-формы (рис. 69, б) с помощью ручных шприцев 7 (для мелкосерийного производства) или на автоматических установках.
Пресс-формы делают из стати, легких сплавов, а также из неметаллических материалов - пластмасс, резины и др. Размеры полости пресс-формы рассчитывают так, чтобы обеспечить получение необходимых размеров отливки учитывают усадку легкоплавкой модели в пресс форме (0,9-1,9 %), изменение размеров оболочки при нагреве (0,5-1,0%) и охлаждении, а также величину усадки материала отливки Пресс-формы делают разъемными, чтобы облегчить извлечение модели. В зависимости от конструкции в одной пресс-форме могут быть получены одна или несколько моделей одновременно. На рис. 70 показана пресс-форма с горизонтальным разъемом для получения нескольких моделей 5. Она состоит из подвижной и неподвижной матриц 1 и 2, плит 3, толкателей 4, охлаждающих каналов 6.

В условиях массового производства применяют подобные многогнездные пресс-формы для изготовления нескольких моделей, объединенных в модельные звенья, состоящие из моделей самих деталей литниковых каналов и секций стояка (через которые заливается металл после выплавки моделей из керамической оболочки).
В современных цехах процессы изготовления модельной массы и моделей объединены в общую механизированную и автоматизированную линию. На рис. 71 приведена одна из таких установок. Модельный состав 1 укладывают в обогреваемый горячей водой бак 2, где он плавится и через фильтрующую сетку 3 стекает в ванну 4, откуда насосом 5 перекачивается в бак 6. Мерное количество модельной массы переливается в бак 8 при закрытом клапане 7. В баке 8 готовится масса необходимой температуры и консистенции, которая затем перегоняется в раздаточный бак 9. Из этого бака масса пневмонасосом 10 подается к запрессовочному устройству 11. При совмещении носка запрессовочного устройства с отверстием пресс-формы 12 происходит заполнение ее модельной массой. Пресс-формы установлены на вращающейся карусели 13. После затвердевания массы пресс-форма раскрывается и модель 14 выталкивается в ванну 15 с проточной водой. Там модели охлаждаются, а затем их вынимают для сборки модельных блоков.

Сборка (вручную) заключается в объединении моделей на одном стояке литниковой системы, т. е. готовят блок моделей для групповой отливки нескольких деталей в одной форме, так как отливать каждую небольшую отливку отдельно неэкономично. Блок моделей получают иногда припаиванием отдельных моделей к стояку. В этом случае стояк получают отдельно запрессовкой той же массы в специальную пресс-форму. Чаще же набирают секции моделей 1 (см. рис. 69, I) на металлический каркас стояка 8 (см. рис. 69, II).
Присоединение модели к стояку без припайки позволяет собирать блоки на конвейере. Благодаря этому увеличивается производительность и улучшаются условия труда. Собранный блок обдувается воздухом и передается (подвесным конвейером) на операцию нанесения огнеупорного покрытия и сушки
Параллельно с изготовлением моделей готовят огнеупорное покрытие. Оно состоит из связующего и наполнителя в виде пылевидного или плавленого и размолотого кварца SiO2 или шамота. При получении отливок из тугоплавких сплавов на основе никеля применяют циркон, диоксид титана TiO2, электрокорунд, фарфор и другие материалы, которые имеют повышенную огнеупорность и низкие коэффициенты термического расширения, что меньше нарушает размеры форм. При литье магниевых сплавов в состав керамического покрытия добавляют борную кислоту как защитное средство от окисления металла, а вместо SiO2 применяют Al2O3 либо гипс, так как кремнезем взаимодействует с магнием. При литье титана и его сплавов по выплавляемым моделям в качестве огнеупорных наполнителей используют графит, оксид циркония, нитрат циркония, электрокорунд (плавленая Al2O3). С другими же окислами титан взаимодействует. Первый слой толщиной 0,2 мм обычно делают из смеси порошка графита со связующим на основе фенольнобаритовой или фенольнофурфуроловой смол, разбавленных спиртом.
В качестве связующих применяют гидролизованный раствор этилсиликата и жидкое стекло. Этилсиликат (C1H5O)4Si - это смесь эфиров, содержащая 29 до 43 % SiO2. Чтобы этилсиликат имел связующие свойства, его подвергают гидролизу, который заключается во взаимодействии с водой, подкисленной соляной кислотой (иногда в смеси с серной) и замещении группы (C2H5O) гидроксильными группами ОН. Соляная кислота служит катализатором и способствует образованию геля кремниевой кислоты. Для растворения этилсиликата к воде добавляют спирт, например изопропиловый технический спирт (65%) в смеси с ацетоном (35 %). Количество разбавителя обычно рассчитывают так, чтобы в гидролизованном растворе содержалось 17-20 % SiO2. При таком количестве SiO2 в связующем достигается максимальная прочность керамической пленки при последующем твердении оболочки. Этилсиликат, взаимодействуя с водой по реакции (C2H5O)4Si + 2Н2О → SiO2 + 4C2H5OH, выделяет кремнезем, переходящий затем в аморфный, а после прокалки в кристаллический (твердый).
Огнеупорное покрытие готовят смешением связующего и наполнителя в специальных мешалках. В зависимости от дозировки этих составляющих получают суспензию необходимой консистенции; обычно для первого слоя готовят более густые суспензии (65-70 % пылевидного кварца и 30-35 % гидролизованного раствора этилсиликата), а для последующих - более жидкие (35-45 % раствора связующего). Количество слоев, наносимых на выплавляемые модели, зависит от размера и массы получаемой отливки и может быть от 3 до 15 с общей толщиной оболочки формы 2-15 мм.
Огнеупорное покрытие наносят при окунании блока моделей в бак с суспензией (на 1-2 с), затем обсыпают прокаленным кварцевым песком или зерновым шамотом, чтобы упрочнить слой суспензии на модели и не позволить ей стекать при сушке.

На рис. 72 приводится схема автоматической линии нанесения покрытия на блок. Блок 1, двигаясь на конвейере со скоростью 1,5-2 м/с, по контуру поворачивается и погружается в ванну 2 с суспензией и далее в бак 3 с кипящим слоем присыпочного материала. Кипящий слой песка создастся путем подачи в бак с песком воздуха под давлением 0,4-0,5 МПа, который поднимает и удерживает его во взвешенном состоянии. В зависимости от того, сколько необходимо по технологии нанести слоев, столько предусматривается и этих операций (в среднем наносят 4-7 слоев).
Нанесенное покрытие сушится при прохождении блока на подвеске движущегося конвейера через камеру воздушной или воздушно-аммиачной сушки при 23-25 °C течение 60-90 или 15-20 мин соответственно (добавление 3 % аммиака в воздух ускоряет сушку). После сушки последнего слоя покрытия блоки направляют (с помощью цепного конвейера) для выплавки модельного состава.
Модельные комплекты с металлическими стояками, закрепленными на подвесках непрерывно движущегося конвейера, подают в ванну с горячей водой (85-95 °C) литниковыми воронками вверх. После расплавления модельного состава оболочки через 5-10 мин их подают к другому конвейеру для прокалки. Выплавленный модельный состав всплывает на поверхность ванны и периодически собирается для повторного использования.
Оболочки после выплавления состава подвергают сушке и последующему прокаливанию (или формовке и прокаливанию). При сушке оболочки нагревают до 150-200 °C в течение 1,5-2 ч. Сушку ведут в электрических или газовых сушилках либо в низкотемпературной зоне прокалочных печей непрерывного действия Прокалку ведут непосредственно после сушки. Вначале оболочки заформовывают (снаружи засыпают наполнителем) в специальные металлические коробки - опоки или жакеты для увеличения массы формы, замедления ее нагрева или остывания и возможности заливки в горячую форму, что важно при изготовлении тонкостенных отливок, а также для предупреждения разрушения их во время заливки от давления и массы металла. В качестве наполнителя используют сухой песок, хромистый железняк, металлическую дробь и др., которые в опоку свободно поступают из бункеров, засыпаются вокруг оболочки и уплотняются с помощью легкой вибрации. Для предупреждения деформации оболочки и сохранения постоянными ее размеров перед и во время заливки иногда используют сухую засыпку с добавкой связующих материалов в виде 1-2 % буры или борной кислоты. Бура или борная кислота при нагреве до 600-800 °C оплавляется и скрепляет засыпку в прочную массу. С этой же целью применяют жидкие наполнители (консистенция жидкой сметаны): 10-20% (по массе) песка, 80-40% цемента и воду (25-30 % сверх 100 % массы сухой смеси). Залитая в опоку смесь плотно прилегает к поверхности оболочки, быстро твердеет на воздухе (либо в результате подогрева), а затем формы подаются на прокаливание.
Прокаливание - последняя и ответственная операция изготовления форм. Оболочки (в опоках с наполнителями) прокаливаются в течение 6-8 ч при 850- 950 °С в камерных или проходных печах, нагреваемых газом или электроэнергией. Графитовые оболочки, предназначенные для литья титана, прокаливают при 1000-1100 °С для удаления газотворных составляющих обмазки.
В процессе прокаливания из формы выжигаются остатки модельного состава и газотворные примеси оболочки, увеличивается газопроницаемость формы, заканчивается процесс образования керамической оболочки. Прокалка оболочковых форм, заформованных в опоки с помощью наполнителя, значительно удлиняет подготовку форм под заливку, что особенно неблагоприятно при использовании автоматизированного поточного способа получения отливок по выплавляемым моделям. В России разработан способ прокалки оболочек без засыпки, в результате чего время прокалки сокращается до 0,5-1,0 ч, а засыпка производится после прокалки путем создания вокруг нагретой оболочки наполнителя в виде кипящего слоя, аналогичного показанному на рис. 72. В отдельных случаях при небольшой массе отливок и плотности сплава заливку ведут без применения засыпки.
Керамические формы заливают при определенных температурах металла и формы в зависимости от массы и конфигурации отливок, а также технологических свойств сплавов. Температура алюминиевых сплавов при заливке составляет 650-710 °С, а формы 50-300 °С, температура оловянных бронз 1080-1100 °C и формы 400-500 °С, алюминиевых бронз 1120-1140 °C и формы 650-700 °С, латуни 950-980 °C и формы 200-600 °C, никелевых сплавов 1580-1630 °С и формы 800-850 °С.
Заливка форм металлом производится обычно из ковшей. Если сплавы склонны к пленообразованию, то заливку ведут непосредственно из печи. Для получения более качественных отливок формы иногда ставят и заливают на центробежных машинах с вертикальной осью вращения. При вращении в результате центробежной силы происходит хорошее заполнение полости формы, обеспечивается направленное затвердевание и повышенная плотность отливки. Иногда формы помещают в герметические камеры и заливку ведут в вакууме или в атмосфере инертных газов (аргона, гелия) для предотвращения окисления металла.
Залитые формы охлаждаются на заливочных площадках либо в охладительных ветвях конвейера в течение 1-5 ч. Охлажденные отливки выбивают различными способами в зависимости от материала формы и объема производства.
Формы с сухим наполнителем освобождают от наполнителя на специальных механических опрокидывателях. Формы с наполнителем, имеющим связующее, выбивают с помощью пневмомолота или на вибрационных решетках.
После выбивки из форм на отливках обычно остается часть огнеупорного покрытия, которую удаляют на специальных станках вибрацией. От литников и прибылей отливки отделяют с помощью прессов, абразивных кругов и механических дисковых и ленточных пил, газовой резкой, на токарных и фрезерных станках.
Завершающая операция - очистка отливок от остатков керамического покрытия и окалины кипячением в щелочах KOH или NaOH (20-40 %-ные растворы) при 105-110 °C (выщелачивание) с последующей промывкой в горячей воде (во вращающемся барабане). Качество отливок проверяют по химическому составу и механическим свойствам материала, по состоянию поверхности и точности размеров и массы деталей визуально, просвечиванием рентгеновскими или гамма-лучами, люминесцентным контролем, с помощью калибров и эталонов.
Основные виды брака отливок в цехах точного литья - отклонения от размеров, засоры, ухудшенная поверхность. Этот брак получается в результате разрушения или деформации оболочки и химического взаимодействия формы с металлом. Возможен брак по усадочной пористости и негерметичности, что связано с недостаточным питанием отливок, неправильной конструкцией литниковопитающей системы, а также недоливы, отклонения от химического состава, трещины, вызванные термическими напряжениями и неподатливостью форм.
В производственных условиях различают окончательный брак и исправимый. Дефекты исправляют заваркой, чеканкой, зачисткой, пропиткой и другими способами.
Отливки по выплавляемым моделям по стоимости относятся к сравнительно дорогому литью, поэтому потери от брака стремятся свести к минимуму. В цехах с хорошо отлаженным процессом можно добиться снижения стоимости литья в 1,5-2 раза по сравнению с немеханизированным производством, а уменьшения трудоемкости изготовления тонны литья - в 2-4 раза.

Сущность способа литья по выплавляемым моделям состоит в том, что модель изготовляют из такого материала, который без разрушения формы можно выплавить или растворить и получить неразъемную форму, что обеспечивает высокую точность отливок. Чаще всего материалом модели является легковыплавляемая воскообразная масса. Литьем по выплавляемым моделям получают отливки сложной конфигурации с толщиной стенки до 0,5 мм в основном из стали и жаропрочных сплавов, трудно обрабатываемых механическим способом.

Преимущества литья по выплавляемым моделям: возможность изготовления отливок из сплавов, не поддающихся механической обработке; получение отливок с точностью размеров до 4-го класса и шероховатостью до 6-го класса чистоты, что в ряде случаев устраняет механическую обработку; возможность получения узлов машин, которые при обычных способах литья пришлось бы собирать из отдельных деталей.
Литье по выплавляемым моделям можно использовать в условиях единичного (опытного), серийного и массового производства. Экономические показатели этого способа, рациональность его применения зависят от номенклатуры отливок. Наиболее целесообразно изготовлять этим способом мелкие, но сложные по конфигурации отливки, а также крупные отливки, к которым предъявляются высокие требования по точности размеров и чистоте литой поверхности, отливки из труднообрабатываемых сплавов.
Выплавляемые модели для литья изготавливают из смеси или сплавов легкоплавких материалов, чаще всего органического происхождения. В качестве исходных материалов используют парафин, стеарин, церезин, буроугольный воск, торфяной битум, канифоль, полистирол, полиэтилен, этилцеллюлозу, жирные кислоты, озокерит и др.
Модельные составы должны обладать определенными свойствами: 1) температурой плавления 60-100° С, температурой начала размягчения выше температуры рабочего помещения на 35-45° С; 2) минимальной и стабильной линейной усадкой, минимальным объемным и линейным расширением; 3) хорошей жидкотекучестью; 4) достаточной прочностью и твердостью для предохранения от повреждения поверхности моделей; 5) минимальной зольностью и неприлипаемостью к поверхности пресс-форм, инструменту и рукам рабочего; 6) химической инертностью по отношению к материалам пресс-форм и огнеупорных покрытий; 7) не выделять вредных паров при нагревании и сгорании; 8) возможностью многократного использования; 9) хорошей смачиваемостью облицовочным составом; 10) дешевизной исходных материалов. Основным способом изготовления выплавляемых моделей для литья является запрессовка пастообразного состава в рабочую полость пресс-форм, что обеспечивает лучшую точность и чистоту поверхностей моделей.
Эту операцию выполняют на установке, на которой приготовление пасты из жидкого расплава и запрессовка модельной массы в пресс-формы производятся автоматически. После затвердевания модельного состава пресс-форма автоматически раскрывается, модель выталкивается в ванну с холодной водой, откуда по водяному конвейеру направляется на участок сборки моделей. Готовые модели осматривают.
Модели хранят либо в холодной проточной воде, либо в термостатах. Одновременно с изготовлением модели отливки изготавливают модели элементов литниковой системы: стояка и воронки.
К качеству металла отливок при литье по выплавляемым моделям предъявляются те же требования, что и к отливкам, получаемым другими способами. Поэтому металл из любого плавильного агрегата может быть использован и для литья по выплавляемым моделям. Плавка металла для заливки форм осуществляется по обычной технологии.
После охлаждения форм производят выбивку отливок на специальных установках (пневматических) с поворотом опок на 180°, для того чтобы из опоки высыпался наполнитель. Отделение отливок от литников осуществляется следующими способами: 1) на вибрационных установках; 2) продавливанием стояка с отливками через обрезной штамп; 3) отрезкой ножовками, дисковыми пилами, фрезами и на шлифовальных станках; 4) отрезкой прибылей, а иногда и стояка газовыми горелками; 5) анодно-механической резкой.
Для очистки отливок от керамической оболочки широко используют выщелачивание: в нагретую до 140° С ванну с 50%-ным раствором КОН погружают детали в специальных корзинах; керамическая оболочка, взаимодействуя со щелочью, разрушается.
Остатки литников зачищают на наждачных станках или зачистных полуавтоматах.

Литье по выплавляемым моделям по существу является усовершенствованным способом, применявшимся в древние времена для литья художественных и ювелирных изделий по восковым моделям.
Точность размеров изделий, полученных литьем по выплавляемым моделям большого значения не имела. Литье по восковым моделям использовалось также для изготовления изделий сложной конфигурации без применения трудоемких операций механической обработки.
По сравнению с обычным литьем в песчаные формы литье по выплавляемым моделям имеет следующие преимущества:
1. Высокая чистота поверхности и получение точности размеров отливок в пределах 4 - 5-го классов по ОСТ 1010, ОСТ 1024 и ОСТ 1025.
2. Применение литых деталей без механической обработки, в том числе из сплавов, не поддающихся обработке резанием.
3. Изготовление деталей сложнейшей конфигурации с толщиной стенок до 0,3 мм.
4. Возможность разделения технологического процесса на простые операции, легко поддающиеся механизации и автоматизации.
5. Гибкость технологического процесса, позволяющая быстро наладить производство новых изделий.
6. Минимальный расход металла на отливку.

Точность и чистота поверхности отливок, изготавливаемых литьем по выплавляемым моделям, зависит от следующих факторов:
1) способов получения и состояния поверхности пресс-формы (литая, механически обработанная, шлифованная, хромированная и т.д.);
2) конструкции пресс-форм (с механизацией соединения частей пресс-формы и без механизации);
3) вида применяемых модельных составов и методов получения легкоплавких моделей (свободной заливкой модельного состава или запрессовкой пасты);
4) размеров зерен кварцевого песка в первом слое керамического покрытия;
5) методов выплавления модельного состава из керамических оболочек (водой, паром, воздухом) и режимов прокалки последних (оптимальные, ускоренные);
6) толщины стенок отливки (с увеличением толщины возрастает возможность образования пригара);
7) химического состава материала отливки.

Чистота поверхности отливок, полученных литьем по выплавляемым моделям, должна соответствовать 2 - 6-му классам ГОСТа 2789-59.
Целесообразный объем производства литья по выплавляемым моделям зависит от затрат на изготовление пресс-форм, которые при изготовлении малой партии отливок могут не окупиться. Процесс изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям состоит из следующих укрупненных технологических операций:
1. Разработка чертежа детали и технологической документации.
2. Изготовление технологической оснастки.
3. Изготовление выплавляемых моделей отливки и литниковой системы.
4. Контроль качества моделей и сборка их в блоки.
5. Приготовление огнеупорного покрытия моделей.
6. Нанесение огнеупорного покрытия на поверхность блока моделей и сушка их.
7. Изготовление и прокалка формы.
8. Выплавка металла и заливка форм.
9. Выбивка, обрезка, очистка и термообработка отливок.
10. Контроль качества и приемка отливок.

От положения детали при заливке формы в значительной степени зависит плотность отливки. Компенсацию объемной усадки стали в процессе ее затвердевания можно обеспечить соответствующим устройством прибылей и питающей литниковой системы. Поэтому при разработке технологического процесса изготовления отливки нужно выбрать такое положение детали при заливке, при котором обеспечивались бы условия питания отливки при минимальном расходе металл на прибыли. При этом следует руководствоваться общими указаниями по разработке технологического процесса изготовления стальных отливок с малыми толщинами стенок. Весьма эффективным является питание отливки жидким металлом, сосредоточенным в литниковой системе.

В идео: