Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины. Дорошенко В.С. Методы охлаждения отливок с помощью применения льда, новых гранулированных материалов и сочетания литья с термообработкой

Многие литейные заводы вкладывают средства в технологию и сокращают потребление ресурсов на постоянной основе. Особенностью этого процесса и движущим инструментом является оцифровка при моделировании производства, а 3D-печать позволяет не только лить очень сложные детали, но и заменить энерго-, ресурсо- и трудоёмкий метод проб и ошибок, что не только повышает конкурентные позиции литейных цехов, но и позволяет реализовать устойчивые стратегии [1].

В плане развития теории и практики теплообменных процессов и структурообразования при течении, охлаждении и кристаллизации сплавов в литейной форме, создания методов литья с использованием вакуума и криотехнологий, а также рентабельных ресурсосберегающих технологических процессов получения литых деталей рассматривали способ литья в оболочковые формы с опорным наполнителем (ОН) в контейнерах. Такие формы получают по разовым моделям или по горячей металлической модельной оснастке. ОН (чаще кварцевый песок) упрочняет оболочку извне и препятствует вытеканию из нее металла при появлении в ней трещин или других нарушений целостности стенок. С целью ускорения литейного процесса на 25-50 %, согласно справочнику [2, с. 181], опорный слой вакуумируют во время заливки металлом оболочек, удаляя выделяющиеся газы. После образования на отливке достаточно толстой твердой корки вакуумирование прекращают.

Учитывая опыт литья в вакуумируемые [3] и замороженные формы [4], а также формовку песчаной смесью с сыпучим зернистым льдом, входящим в ее состав [5, 6], предложено использовать для оболочковых форм ОН из такой смеси с зернистым льдом в количестве 5…100 %. Зернистый (гранулированный или чешуйчатый) лед получают на серийно выпускаемых льдогенераторах (с обширной номенклатурой по производительности) преимущественно для пищевой промышленности и охлаждения пищевых продуктов. При засыпке песчаной оболочки таким ОН в контейнере она в течение нескольких минут с комнатной температуры охладится до температуры, близкой к температуре ОН со льдом. Затем заливка такой оболочки металлом, затвердевание и охлаждение отливки будет подобно литью в замороженной форме, когда отмечено получение более мелкозернистой структуры для отливок из чугуна с незначительным ускорением охлаждения по сравнению с песчано-глинистыми формами без применения криотехнологии [4].

Подключение к песчаной форме трубопровода от вакуумного насоса и вакуумирование сыпучего ОН обеспечит направленный газоотвод и даст эффект вакуумного всасывания, которое улучшит формозаполнение металла, сравнимое с таким показателем для прокаленных и нагретых до температуры около 800 °С форм. Замороженные формы рекомендуют заливать в течение не более 3 мин [7] во избежание накопления конденсата влаги (из воздуха цеха) на холодной поверхности полости форм. В данном случае также следует принять меры, чтобы до заливки металлом лед ОН не начал таять и не увлажнил песчаную оболочку в среде низкотемпературного наполнителя.

Песчаная оболочка служит «теплоизолятором» для металла при заливке, но таяние льда, особенно при ОН на 100 % изо льда, позволит оболочке с отливкой двигаться вниз ко дну контейнера, проплавляя лед в контейнере. Быстрое охлаждение отливки будет подобно операции закалки в литейной форме. В конечном итоге отливка быстро окажется в контейнере с водой. Оболочковая форма осыплется с отливки из-за перепада температур и разной усадки металла и неметаллических материалов. Наличие льда в ОН от 5 до 100 % обеспечит версии взаимодействия отливки и формы от варианта литья в замороженные формы до варианта литья с самозакалкой отливки в литейной форме путем ее контакта с плавящимся льдом и водой, заполняемой формовочный контейнер. Толщиной оболочковой формы в зависимости от вида металла и толщины стенки отливки можно регулировать скорость процесса кристаллизации, степень зернистости структуры и нередко фазовый состав металла отливки, а температурой и массой ОН и долей в нем льда также можно в некоторых пределах регулировать операции, свойственные термообработке.

Многие сплавы металлов для литья в кокиль с быстрым охлаждением могут входить в область применения такого литейного способа с термообработкой, а именно закалкой отливок в литейной форме. При этом процессы плавления льда, испарения воды и конденсации пара в контакте со льдом напоминают привычные нам процессы круговорота воды, наблюдаемые в природе, поэтому их относят к экологическим природоподобным технологическим процессам литейного производства [8].

Исследуя научные предпосылки, создавая теоретические основы и развивая технологию регулирования в широких пределах охлаждения отливки в песчаной форме [3, 4], можно достичь два положительных эффекта, которые позволяют не только оптимально сокращать время охлаждения (выдержки) отливки в форме, но и влиять на формирование структуры металла. Первый эффект полезен для сокращения длины конвейерной ветки для охлаждения отливок на формовочно-заливочных линиях или площадей на заливочном плацу, а также для комплектации литейных роторных линий соразмерными по величине роторными модулями, разбивая процесс формовки и литья на операции примерно одинаковой длительности. Второй эффект показывает, что увеличение скорости кристаллизации и охлаждения отливки имеет свои технологические пределы c той точки зрения, что может привести к потере свойств пластичности и прочности металла, как это отмечал д. т. н. В. Б. Бубликов для высокопрочного чугуна (ВЧ). Это вынуждает литейщика учитывать соответствующие отработанные технологии в области металловедения и термообработки (ТО) металлов и действовать по ним.

Таким образом, в вышеописанном способе с применением криотехнологии процесс литья неизбежно дополняется другим металлургическим переделом – технологией ТО металлопродукции. Развивая такую взаимодополняемость (комплементарность) литья и ТО в исследовательской работе под руководством профессора О. И. Шинского «Научные и технологические основы создания высокопроизводительных литейных процессов получения литых конструкций из железоуглеродистых сплавов в песчаных формах» для отливок из ВЧ предложен способ литья в сочетании с изотермической закалкой отливок [9]. Этот и ряд аналогичных способов [10-12] основаны на литье ВЧ в вакуумируемой (на момент заливки металлом) форме из сухого песка без связующего с удалением отливок в горячем аустенитном состоянии из сыпучего песка формы. Затем отливку в течение до 15 сек переносят на закалку с изотермической выдержкой для получения бейнитной структуры металлической матрицы. Традиционную изотермическую закалку с аустенитного состояния отливки изменили таким образом, что отливку в аустенитном состоянии извлекают из формы, а не достигают этого состояния длительным нагревом в термопечи с выдержкой при температуре насыщения аустенита углеродом нередко до получаса и более.

Такой процесс литья с ТО (особенно с толщиной стенки отливки выше 20 мм) дает возможность получения отливки быстрее, чем при традиционном ее охлаждении в сухом песке формы. Изотермически закаленный ВЧ (Austempered Ductile Iron, АDI) может достигать прочности σв = 1200…1300 МПа и выше. Кроме того, предложен способ закалки отливки из ВЧ в псевдоожиженном (кипящем) слое песка [13], который по скорости охлаждения отливки находится между двумя процессами ее закалки при контакте с маслом и водой [14]. Сухой дисперсный компонент не дает пара и продуктов горения в контакте с горячей отливкой (это улучшает условия труда) и не требует мытья отливки после закалки, что часто необходимо после охлаждения в жидкой (солевые расплавы, полимерные растворы) среде, а также уменьшает вероятность переохлаждения отливки, возможного при воздействии на нее воды.

Для случаев прилипания краски к поверхности отливки, песчаных слоев или местных зон пригара, особенно для крупных отливок и в местах подвода к ним металла, рассмотрен способ закалки подачей на горячую (например, подвешенную и вращающуюся в камере) отливку воздушно-песчаной смеси (как при пескоструйной обработке), включая использование щелевого сопла, двух и более сопел или регулирования давления воздуха и расстояния до отливки.

Пескоструйную обработку нередко используют в литейных цехах по способу, согласно которому за такой обработкой следует выдержка отливки из чугуна при температуре до 400 °C в течение 2-3 часов [15]. Отработанный материал осыпается вниз и поступает в сепаратор, а затем снова на обработку. Разная степень усадки при охлаждении горячих металла и неметаллических слоев способствует легкому их отделению, что допустимо также для отливок, выбитых в аустенитном состоянии из форм из смесей «по-сырому», практически всякий налет быстро удаляется с поверхности отливки вместе с ее охлаждением. Традиционные способы пескоструйной обработки в ручном режиме (рис. 1, 2, 3) доступны для автоматизации, в т. ч. с применениемроботов-манипуляторов [16], а также нескольких форсунок, обеспечивающих равномерный поток дисперсного материала вокруг отливки.

Такие автоматы-манипуляторы все чаще применяют на участках литья по выплавляемым и газифицируемым моделям. Причем типовые траектории подготовительных операций формовки – окунания блока (кластера) разовых моделей в емкость с жидкой суспензией или краской, обсыпания его песчаной композицией в барабане и помещения на конвейер в сушило – мало отличаются от нового цикла операций по режиму ТО: извлечения горячей отливки из сухого песка формы, помещения ее в камеру для закалки, а затем в емкость для засыпки закаленной отливки, нагретой песчаной средой для изотермической выдержки, на которую несложно перепрограммировать такого типа автоматы-манипуляторы.

Способ сочетания литья и ТО (сокращенно – ЛТО) экономит продолжительность производства металлопродукции, затраты на нагрев и выдержку для аустенизации отливок из ВЧ, присущих традиционно раздельным процессам литья и ТО. К сожалению, ВЧ типа АDI редок для цехов Украины, хотя в ряде стран Европы и США марки ADI стандартизированы, и эти чугуны быстро распространяются в машиностроении в качестве материалов с повышенными прочностными и функциональными свойствами.

Среди новых сыпучих огнеупорных материалов рассмотрим применение в литейном производстве пропантов. Использование пропантов для литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) описано В. А. Андерсоном (НТП «Кварц», г. Киев) в качестве сыпучего формовочного материала высокой текучести для заполнения тонких каналов разовых моделей гидроаппаратуры [17]. Пропант, или проппант (от англ. propping agent – расклинивающий агент) – гранулированный материал, созданный для повышения отдачи скважин в нефтедобывающей технологии гидроразрыва пласта (ГРП). Пропанты алюмосиликатные (ГОСТ Р 51761-2013) или магнезиально-кварцевые (ГОСТ Р 54571-2011) и др. закачивают в нефтяные или газовые пласты под давлением. Пропанты, имея высокую способность к проникновению сквозь скважину в трещины от ГРП, их удерживают для скачивания без остатка нефти и газа из стареющих скважин. В Украине пропанты применяют с 1950-х гг. для добычи углеводородов на истощенных месторождениях. Алюмосиликатный пропант – гранулированный огнеупорный материал, каждая гранула которого – керамическое изделие, полученное высокотемпературным обжигом фракционированного глинозема. Для литейных форм пригодны алюмосиликатный или магнезиально-кварцевый (на основе силиката магния и кварцевого песка) пропанты насыпной плотности около 1,8 г/см3, сферичности 0,9 и среднего размера 0,339 мм. Последний вид пропанта получают сначала выжиганием природных серпентинитов при температуре 750-1150 °C для удаления влаги и образования форстерита, а затем выполняют помол материала с кварцполевошпатным песком, гранулирование шихты и выжигание гранул при температуре 1200-1350 °C [18].

Высокую текучесть и проницаемость гранул пропанта, созданного для максимального заполнения трещин, в литейных процессах целесообразно реализовать для заполнения возможных пустот вокруг стенок разовой модели либо отливки. Последний способ [9, 11, 12] заключается в удалении горячей отливки из сыпучего песка формы и ТО в виде изотермической ее закалки (включая изотермическую выдержку при температуре бейнитного превращения) в горячей среде не песка, а пропанта, которым засыпают отливку в контейнере [10].

В дополнение к отмеченным выше преимуществам отметим, что по сравнению с традиционной изотермической закалкой в нагретых жидких средах в виде расплавов солей или щелочей, способных к вредным выделениям, совмещение литья и изотермической закалки с удалением горячей отливки из формы сокращает охлаждение отливки в песчаной форме и экономит на ее нагревании до аустенитного состояния и «горячей» выдержке (аустенизации). При этом удалением источника нагрева с песчаной формы также экономят на охлаждении сыпучего песка для повторного изготовления формы. Высокая текучесть гранул пропанта, нагретого до температуры бейнитного превращения, позволяет быстро засыпать отливки для изотермической выдержки этими гранулами в контейнере и удалять гранулы по окончании ТО. Формовочные кварцевые пески для этого имеют худшую текучесть (песчинки могут не заполнять поднутрения отливки и после ТО оставаться в полостях отливки), а также меньшую теплопроводность, что потребует больше затрат для обеспечения изотермы нагретой сыпучей среды вокруг отливки.

Кроме того, высокая газопроницаемость пропанта также полезна при ЛГМ для уменьшения «потерь» вакуума по глубине формы при заполнении пропантом тонких каналов моделей в песчаной форме или формовке целиком из пропанта, это позволяет эффективно удалить газы от деструкции модели. Эта повышенная проницаемость гранул также позволит создавать металло-пропантовые композиты путем протекания расплава металла на сотни миллиметров сквозь поры пропанта под давлением на металл или засасыванием металла вакуумированием пропанта. Такие композиты на основе железоуглеродистых сплавов будут иметь значительно меньший удельный вес, чем монолитные сплавы.

Пропант с Al2O3 позволит изготавливать композитные слои на абразивном металлическом инструменте, а также изготавливать отливки с поверхностями «противоскольжения» частичной пропиткой металла через тонкий или «в одну гранулу» слой пропанта (на поверхности полости песчаной формы) методом целенаправленного создания механического пригара на поверхности отливки. Цветной декоративный механический пригар на литых дорожных люках такого типа (в т. ч. для противоскольжения) выполнил Н. Д. Феклин – известный специалист в области вакуумно-пленочной формовки [19] (рис. 4). Если пригар испокон веков есть то, с чем литейщики упорно борются (в т.ч. защищая по этой теме диссертации), то теперь он «радует глаз».

Возможности использования в литейно-металлургическом производстве гранулированного огнеупорного как высоко-«текучего», так и -проницаемого в своей массе материала имеют широкие пределы. Пропантом можно заполнять газовыводные каналы литейной формы от протекания сквозь них металла, гибкие матерчатые или сетчатые фильтры (цилиндрического или подушкообразного вида) для вакуумирования формы, добавлять пропант в краску для форм или песчаные «венты» для регулирования их газопроницаемости или шероховатости поверхности отливки.

Выводы

В статье изложены концепции охлаждения отливок с помощью криотехнологии, новых сыпучих материалов и способов литья, дополненных ТО. Регулирование в широких пределах охлаждения отливки в песчаной форме позволяет не только оптимально сокращать время охлаждения отливки в форме, но и влиять на формирование структуры металла. В первом случае имеются основания для уменьшения длины конвейерной ветки формовочно-заливочных линий, на которой охлаждают отливки в формах, или площадей под формы на заливочном плацу, а также для комплектации литейных роторно-конвейерных комплексов соразмерными по величине роторными модулями, на которых выполняют операции формовки, заливки и охлаждения отливок примерно одинаковой длительности. Во втором случае увеличение скорости кристаллизации и охлаждения отливки имеет пределы роста, превышение которых может привести к потере свойств пластичности и прочности металла, в частности, для графитизированных чугунов. Это требует от литейщика переходить на соответствующие технологии ТО металлов и действовать по их режимам, что показано на примерах дополнения процесса литья таким металлургическим переделом, как ТО металлопродукции. В частности, для отливок из ВЧ предложены способы литья в сочетании с изотермической закалкой отливок (способы ЛТО).

Применение для закалки отливок твердо-газовых дисперсных сред (в отличие от традиционных жидких) повысит экологическую безопасность производства. Также отмечены методы как пескоструйной очистки отливок в горячем состоянии (в т. ч. от пригара, рис. 1-3), так и целевого нанесения пригара на отливки (рис. 4). Предложенные для охлаждения отливок элементы криотехнологии с плавлением льда, испарением воды и конденсацией пара в контакте со льдом, самопроизвольно происходящие в литейной форме после заливки ее металлом, приближают процесс производства к природоподобным технологиям.

Литература

1. Hendricks, C. Tremendous potential – environmental, economic and social sustainability in foundries / C. Hendricks // GMTN. – 2019. – № 6.
2. Специальные способы литья : справочник / Под ред. В. А. Ефимова. – М. : Машиностроение, 1991. – 436 с.
3. Дорошенко, В. С. Регулирование охлаждения отливки в вакуумируемой форме фильтрацией хладагентов и движением частиц песка / В. С. Дорошенко // Литейное производство. – 2013. – № 10. – С. 32-37.
4. Черновол, А. В. Способы воздействия песчаной вакуумируемой формы на кристаллизацию и охлаждение отливки / А. В. Черновол, В. С. Дорошенко // Литье-2007: тез. докл. – К. : Редакция журнала «Процессы литья», 2007. – С. 37-38.
5. Спосіб виготовлення виробів з сипкого наповнювача [Текст] : пат. 77595 Україна : МПК В 22 С 9/02 / Шинский О. Й., Дорошенко В. С. ; опубл. 25.02.2013, Бюл. № 4.
6. Спосіб формування [Текст] : пат. 95319 Україна : МПК В 22 С 9/02. / Шинский О. Й., Дорошенко В. С. ; опубл. 25.12.2014, Бюл. № 24.
7. Солоненко, Л. І. Теоретичні та технологічні основи виготовлення виливків з алюмінієвих сплавів в екологічно безпечні низькотемпературні кварцові форми : дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / Л. І. Солоненко. – Дніпро, 2018. – 144 с.
8. Дорошенко, В. С. Литейное производство как среда для природоподобных технологий / В. С. Дорошенко // Литье и металлургия. – 2018. – № 2. – С 23-28.
9. Спосіб виготовлення виливків з бейнітного або аусферитного чавуну з кулястим графітом [Текст] : пат. 123731 Україна : МПК B 22 D 7/00, B 22 D 23/00, С 21 D 5/02, С 21 D 1/20, B 22 D 27/04 / Дорошенко В. С., Шинский В. О. ; опубл. 12.03.2018, Бюл. № 5.
10. Спосіб виготовлення виливків з бейнітного або аусферитного залізовуглецевого сплаву (чавуну, сталі) [Текст] : пат. 131581 Україна : МПК B 22 D 7/00, B 22 D 23/00 / Дорошенко В. С., Шинський В. О. ; опубл. 25.01.2019, Бюл. № 2.
11. Спосіб виготовлення виливків [Текст] : пат. 131907 Україна : МПК B 22 D 7/00, B 22 D 23/00, B 22 D 27/04, C 21 D 1/20 / Дорошенко В. С., Шинський В. О. ; опубл. 11.02.2019, Бюл. № 3.
12. Спосіб виготовлення виливків з бейнітного або аусферитного чавуну [Текст] : пат. 131968 Україна : МПК B 22 D 7/00, B 22 D 23/00, C 21D 1/20, C 21 D 5/02 / Дорошенко В. С., Шинський В.О. ; опубл. 11.02.2019, Бюл. № 3.
13. Спосіб виготовлення виливків з ізотермічно загартованого бейнітного чавуну [Текст] : пат. 133701 Україна : МПК B 22 D 7/00, B 22 D 23/00, B 22 D 27/04, C 21 D 5/02, C 21 D 1/20. / Дорошенко В. С., Калюжний П. Б., Шинський В. О. ; опубл. 25.04.2019, Бюл. № 8.
14. Гуляев, А. П. Металловедение / А. П. Гуляев. – 6-е изд. – М. : Металлургия, 1986. – 544 с.
15. Спосіб виготовлення чавунного посуду [Текст] : пат. 68163 Україна : МПК A 47J 27/00, A 47J 37/00, C 21 D 1/00, C 21 D 5/00 / Згібнєв Ю. М. ; опубл. 12.03.2012, Бюл. № 5.
16. Дорошенко, В. С. Скільки ливарних машин випускають у світі та як застосувують роботи у ливарних процесах? / В. С. Дорошенко, В. А. Гнатуш // Промышленность в фокусе. – 2019. – № 5. – С. 40-44.
17. Дорошенко, В. С. Застосування пропантів в ливарних процесах / В. С. Дорошенко ; под ред. Р. В. Лютий // Нові матеріали і технології в машинобудуванні – 2019 : матеріали XI Міжнародна наук.-техніч. конф. (30-31 апреля 2019 г.). – Київ : КПІ ім. І. Сікорського, 2019. – С. 68-70.
18. Способ изготовления магнийсиликатного проппанта и проппант [Текст] : пат. 2613676 РФ : С1, C 09K 8/80, C 04 B 35/20, C 04 B 35/622, C 04 B 35/64 / Пейчев В. Г. [и др. ] ; опубл. 21.03.2017, Бюл. № 9.
19. Дорошенко, В. С. Оболочковые литые конструкции с декоративным пригаром / В. С. Дорошенко // Литво. Металургія. 2017 : матеріали XІII Міжнародна наук.-практ. конф. (23-25 мая 2017 г.). – Запоріжжя : АА Тандем, 2017. – С. 48-50.
20. Феклин, Н. Д. Декоративное литье по V-процессу / Н. Д. Феклин // Литье Украины. – 2016. – № 10. – С. 14-15.


Размещено в номере: «Вестник арматуростроителя», № 5 (54) 2019