новые прогрессивные литейные и металлургические технологии

НОВЫЕ ПРОГРЕССИВНЫЕ ЛИТЕЙНЫЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ
ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ
О.И.Шинский, И.О.Шинский
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ТЕОРИИ
И ПРАКТИКИ ЛИТЬЯ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ МОДЕЛЯМ В
ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ МЕТАЛЛОВ И
СПЛАВОВ НАН УКРАИНЫ
Разновидности методов литья по газифицируемым моделям уверенно
вошли
в
перечень
наиболее
востребованных
литейных
технологий,
обеспечивающих получение высококачественных отливок из черных и цветных
сплавов
различной
массы
в
серийном
и
массовом
производствах.
Привлекательность этих способов литья объясняется их низкой материалоэнергоемкостью и возможностью обеспечения экологической безопасности
окружающей среды при низких капитальных затратах освоения новых
процессов.
Многолетние
гидрогазодинамических,
исследования
во
массообменных,
ФТИМС
НАН
теплофизических
Украины
процессов,
структурообразования, формирование потребительских свойств отливок из
железоуглеродистых, цветных сплавов при литье по газифицируемым моделям
в вакуумированные, песчаные формы с гравитационной заливкой и под
избыточным давлением позволили создать технологии и оборудование для
организации производств мощностью 500-30000 т в год.
В области теории литья по газифицируемым моделям были установлены
закономерности взаимодействия продуктов термодеструкции полистирола с
жидким, затвердевающим металлом. Определяющими факторами при этих
процессах являются: температура сплава, скорости термодеструкции и
движения металла в форме, масса и пористость модели, разряжение в форме и
давление на металл, его смачиваемость и площадь контакта с продуктами
деструкции. Полученные в Институте закономерности позволили разработать
физические, математические модели газогидродинамики литья с верхним,
нижним подводом металла и под регулируемым давлением. Установлены
механизмы формирования поверхностных дефектов и науглероживания
отливок из железоуглеродистых сплавов с учетом их смачивавния жидкими
продуктами
термодеструкции
полистироловой
модели.
Сформированы
представления об образовании пригара при литье по газифицируемым моделям,
которые
учитывают
противопригарного
конденсацию
покрытия
и
парогазовых
последующую
продуктов
их
в
газификацию
порах
при
интенсивном образовании корочки металла на границе «покрытие – металл».
В области теории фильтрации газов в пористой среде были установлены
закономерности формирования характера и величины противодавления в форме
с учетом переменной газопроницаемости покрытия и формы, вызванной
конденсацией жидких, парообразных продуктов полистирола, формирование
зазора «металл-модель» при низком и высоком давлениях на жидкий металла.
Сформулированы понятия о механизме газообразования и фильтрации
парогазовых продуктов при применении моделей с открытой направленной
пористостью как пространственной системы «металл-зазор» - «металл-поровый
канал» - «газ-поровый канал».
Раскрыты механизмы управления структурой и свойствами отливок
путем модифицирования, легирования металла в форме пенополистиролой
моделью
с
компонентов.
имплантантами
В
основу
в
этих
виде
легирующих
представлений
и
модифицирующих
положены
массоперенос
имплантантов в организованных потоках металла, кинетика их растворения и
распределения в затвердевающем сплаве.
В целях изучения возможностей применения способов литья по
газифицируемым моделям для получения отливок из литых армированных и
композиционных материалов были созданы гидравлические, теплофизические,
газодинамические модели, установлены закономерности структурообразования,
которые основываются на формировании потока матричного расплава и
динамики его движения в пористом пространстве, образованном армирующей
фазой, кинетике затвердевании металла в контакте с активной или пассивной
армирующими фазами.
На основании фундаментальных исследований процессов литья по
газифицируемым моделям в вакуумируемые формы для получения отливок из
серых, износостойких, высокопрочных чугунов, углеродистых, легированных
сталей, включая низкоуглеродистые, из алюминиевых, а также медных сплавов
массой от 0,05 до 1000 кг.
Для
реализации
проектов
литья
по
газифицируемым
моделям
мощностью 500-30000 т в год создано технологическое оборудование,
обеспечивающее изготовление пенополистироловых моделей автоклавным
способом и методом теплового удара, виброуплотнение и вакуумирование
формовочным материалов в контейнерах различных габаритов и конфигурации.
Для
подготовки
наполнителя
и
его
транспортировки
разработана
конструкторская документация на системы регенерации кварцевого песка, его
охлаждение, транспортировки и хранения. Кроме того, создано оборудование
для обезвреживания песка и вредных газообразных продуктов деструкции
полистирола.
Модульный
принцип
применения
и
компоновки
технологического оборудования позволяет на единой основе создавать
производства мощностью 30000 т в год.
Опыт освоения свыше 700 наименований отливок различной массы,
габаритов и назначения из железоуглеродистых и цветных сплавов позволил
определить основные преимущества литья по газифицируемым моделям в
сравнении с современными методами литья в песчаные, металлические и
керамические формы, которые заключаются в следующем: снижается расход
формовочных, стержневых материалов на 90-95 %, расход шихтовых и
энергоносителей – на 25-30 %, трудоемкость – в 1,5-2 раза, капитальные
затраты – в 2-4 раза, производственные площади – на 50-100 %, масса отливок –
на 15-20 %, а их шероховатость – до 12,5-40 мкм, увеличивается и их размерная
точность на 3-4 класса, а также КИМ – до 0,85-0,95, выход годного – на 15-20
%, что в целом снижает себестоимость литых изделий, не менее чем на 20 %.
Одновременно
освоение
новых
процессов
и
систем
экологической
безопасности позволяет создать действительно экологически чистые литейные
производства.
В
ближайшей
перспективе
заканчивается
освоение
литья
по
газифицируемым моделям в промышленности (в Институте технологии литья
отливок из чугуна и стали под избыточным регулируемым давлением).
Освоение этого направления позволяет дополнительно создать условия для
заполнения
формы
переменного
сечения
с
постоянной
скоростью
и
затвердевания отливок под избыточным давлением, а также исключить влияние
смачиваемости на формирование дефектов в отливках по вине продуктов
распада полистирола, газового противодавления на характер и величину
скорости подъема металла в форме. Это дает возможность повысить
прочностные характеристики отливок на 15-20 %, КИМ – до 0,95, выход
годного до 90 %, а также получать тонкостенные отливки высокой
гидроплотности с габаритами до 2 м.
В Институте разработаны также технологии управления свойствами и
структурой материала отливок при помощи пенополистироловой модели с
имплантантами, что позволяет создать новый класс сложных отливок из
железоуглеродистых
сплавов
с
функциональным
поверхностным
или
локальным слоем (износостойким, антифрикционным, коррозионностойким и
др.), внедрение которых планируется в ближайшие годы.
Немаловажным является и разработка технологий, оборудования для
получения литых армированных материалов на основе медных сплавов по
газифицируемым
моделям
под
высоким
регулируемым
давлением,
позволяющие изготавливать, например, подшипники скольжения массой до 500
кг с ресурсом в 2-3 раза выше и по цене на 30-40 % ниже аналогичной
продукции из специальных бронз.
Таким образом, созданные во ФТИМС НАН Украины теоретические
основы новых разновидностей литья по газифицируемым моделям и на их
основе технологические процессы, оборудование позволят существенно
расширить применение их в мировой литейной практике для получения
высококачественных отливок из железоуглеродистых, цветных сплавов и при
этом обеспечить значительную экономию материалов, энергоресурсов, а также
высокий уровень экологической безопасности.