к.т.н., старший научный сотрудник
Физико-технологического института металлов и сплавов НАН Украины,
Проблемы восстановления и модернизации машиностроения, в частности, станкостроения, не решить эффективно без новых технологий. Литейное производство для этих отраслей составляет основу заготовительной базы, а объемы литья находятся в пропорциональной зависимости от объемов производства машин. Масса литых деталей в автомобилях, тракторах, комбайнах, танках, самолетах и других машинах составляет 30…50%, а в металлорежущих станках и кузнечнопрессовом оборудовании доходит до 80% массы и до 20% стоимости изделия. Однако литейные процессы загрязняют экосистему отходами.
В России при производстве 1 т отливок из чугуна и стали выделяется около 50 кг пыли, 250 кг окиси углерода, 1,5…2 кг окиси серы, 1 кг окиси углеводородов и образуется до 5 т твёрдых песчаных отходов. Особенно экологически небезопасны процессы с использованием синтетических смол и других органических связующих, которые дают до 70% загрязнений природной среды от литейных цехов.
Поиск экологически безвредных способов литья приводит к применению льда для изготовления разовых литейных моделей. Для этого изо льда изготавливается модель металлоотливки, полость модели заполняется формовочным песком с добавками гипса, цемента и т.п., лед, растаяв, фильтруется в песок и упрочняет его, далее в песчаную форму заливается металл, который после охлаждения образует отливку. В литейных цехах по традиционным технологиям для таких моделей используют органические материалы: восковые и парафино-стеариновые смеси, пенопласт.
Применение криотехнологии для получения металлоотливок в песчаных формах позволяет создать малоотходные и безотходные процессы, в которых удаление органических материалов из технологии формовки предотвращает загрязнение окружающей среды, а высокие нормы ресурсосбережения достигаются повторным использованием формовочных материалов. Поскольку с каждым годом в мире неуклонно растет производство отливок по разовым моделям, обеспечивающих точное литье, экономию металла и наибольшее приближение отливки к конечной детали, то литье по моделям из замороженной воды относится именно к такого рода специальным способов литья.
Использование льда в качестве конструктивного материала разовых моделей для литья вписывается в экологическую идею применения саморазрушающихся после выполнения своих функций материалов, а процесс формовки приближается к безвредному обмену веществ с окружающей средой. Переходы при этом воды из жидкого состояние в твердое при замораживании модели, затем опять в жидкое — таяние модели при освобождении полости формы, и последующее испарение воды при сушке увлажненной формы, в какой-то мере подобны кругообороту воды в природе. Для ряда процессов с ледяными моделями вода на 30…90% и сухой песок формы на 80…90%, за вычетом песка, участвующего в образовании оболочки путем фильтрации – увлажнения, могут использоваться многократно.
В разработанной нами разновидности вакуумной формовки по ледяным моделям, упакованным в синтетическую пленку, вода не попадает в песок формы и практически полностью может использоваться повторно наряду с многократным применением песка. Такая технология относится к криовакуумным процессам, в которых сухой песок формы без связующего вещества упрочняется под воздействием вакуума при подключении литейных форм трубопроводами к вакуум-насосу. При этом литье по ледяным моделям совмещается с вакуумно-пленочной формовкой (ВПФ), которая относится к экологически безопасным способам песчаной формовки. За рубежом в последние годы она перешла из разряда специальных видов литья в основные способы производства отливок с использованием разовых песчаных форм. При ВПФ газы, выделяющиеся при заливке расплавленного металла в литейную форму, практически полностью откачиваются вакуум-насосом из формы, а отсутствие связующего вещества в сухом песке такое газовыделение снижает до минимума.
Экологические преимущества литья в ледяных моделях очевидны при замене ими традиционных выплавляемых парафино-стеариновых моделей (способ ЛВМ) или газифицируемых (выжигаемых) моделей из пенополистирола при заливке металлом литейной формы (способ ЛГМ). При ЛВМ расход модельного состава на тонну годных отливок составляет 40…90 кг при примерно 10% потерь. Большая часть потерь происходит при прокаливании в термических печах оболочковых форм при высоких температурах и выгорании не удаленного из них модельного материала. Это ведет к дымовыделениям в литейном цеху, требует установки вытяжной вентиляции и очистки газов, выбрасываемых в атмосферу.
Что касается использования для моделей пенополистирола, то его расход составляет 6…6,5 кг на тонну отливок, и он разрушается при высокотемпературной деструкции. При горении без образования твердого остатка 1 м³ пенополистирола плотностью 25 кг/м³ выделяет до 267 м³ дыма с наличием токсичных продуктов сгорания, главным образом СО. Исследованиями сотрудников химического факультета МГУ под руководством проф. А. Т. Лебедева выявлены возможности выделения фосгена при горении пенополистирола, поэтому его отходы не подлежат сжиганию подобно углю, дровам и т. п., так как при термодеструкции полимера полистирола могут выделяться токсичные газы.
Применение пенополистирола по способу ЛГМ в настоящее время обязательно сочетается с вакуумированием формы, откачиванием продуктов его деструкции и обезвреживанием их путем каталитического дожигания до полного разложения углеводородов до СО2 и водяного пара перед выбросом в атмосферу. Однако, такие установки дожигания недешевы, и для мелких участков экономически невыгодны, а литейные формы для экономии электроэнергии нередко вакуумируют, и часть сконденсированного в песке полистирола может разлагаться в цехе от тепла отливки.
Это, как и при ЛВМ, требует достаточно энергоемкой вытяжной вентиляции и очистки газов, но часто не освобождает от полного удаления вредных газов из рабочей зоны.
В настоящее время ФТИМС НАН Украины патентует три разновидности способа изготовления по разовым ледяным моделям песчаных оболочковых форм из сыпучего формовочного материала. При этом оболочка образуется путем затвердевания в ней определенной композиции веществ при контакте с талой жидкостью модели, проникающей в поры наполнителя формы. Используются составы связующих композиций с максимальной скоростью твердения. При этом из более ста известных связующих для формовочных смесей большинство пригодно для создания связующих композиций, поскольку многие реагенты могут быть заморожены в водном растворе, водной эмульсии или смеси в составе материала модели. А другие реагенты, создающие с ними химически твердеющую композицию, в порошковом или плакированном виде могут быть введены в сыпучую сухую смесь, в частности, на основе кварцевого песка.
При изготовлении оболочковой формы путем засыпки песчаной смеси в контейнер с ледяной моделью, виброуплотнения, таяния модели и пропитки этой смеси получали песчаную корку толщиной 4…8 мм и более. Сыпучую смесь, в которую не проникла влага, высыпали из формы и использовали повторно.
Составы ледяных моделей, в которых один реагент связующей композиции находится в модели, а другой — в окружающей ее песчаной смеси, показали достаточно хорошую технологичность получения оболочковых форм путем пропитки (фильтрации) этой смеси водным составом от тающей модели. Например, для ледяных моделей из водного раствора плотностью до 1,08 г/см3 использовали песчаную смесь с добавлением быстротвердеющего цемента, в процессе пропитки которой твердение получаемой оболочки (толщиной на глубину пропитки) от начала таяния модели (модельного блока) массой 0,2…0,5 кг составляло 6…10 минут. После расплавления остаток модельной композиции, не пропитавший окружающий песок, чаще всего выливали из затвердевшей оболочки, а оболочковую форму направляли на подсушку, либо отрабатывали заливку металлом в сухом наполнителе с вакуумированием формы.
Особенно недорогими являются оболочковые формы, получаемые с гидратационными вяжущими веществами, которые имеют высокие регенерационные свойства по сравнению, например, с жидким стеклом. Такие кристаллогидраты, как цемент, гипс и металлофосфаты в большом разнообразии марок и химических составов проходят цикл исследований в качестве связующих для изготовления оболочковых песчаных форм по разовым ледяным моделям с использованием жидкости от таяния моделей для гидратации и твердения этих связующих. Опытно-промышленные работы показали, что наиболее подходят для этой цели быстротвердеющие цементы.
Однако гипсовые вяжущие, хоть и имеют в 1,5…2 раза большее время схватывания и твердения, также дают качественную поверхность и достаточную прочность оболочковой формы для манипуляций с оболочкой и последующего литья. При этом с момента схватывания до момента заливки металлом обеспечивается постоянное повышение прочности смеси, твердеющей в объеме, полученном в результате фильтрации талой жидкости модели. Объемное твердение более стойко к трещинам, чем послойное. Разумеется, кроме скорости твердения, составы оболочковых форм следует подбирать по огнеупорности, противопригарным и другим свойствам, требуемым для получения качественной отливки, чему оптимистическую перспективу дают первые отливки, полученные из цветных и черных металлов.
Основная проблема разработки технологии для промышленного применения была связана с ответом на вопрос, как вокруг разупрочняющейся тающей модели упрочнить сыпучую формовочную смесь с качественной стабильной поверхностью полости формы. Причем сначала или практически одновременно одно твердое тело разрушается, а другое сыпучее упрочняется в результате фильтрации продуктов разрушения первого и запуска механизма химического твердения второго.
Первоначально исследовали формование при вакуумировании формы. В этих технологиях песок формы упрочняется перепадом газового давления на поверхности полости формы, когда в полости – давление газа близкое к атмосферному или залитый металл, а в толще песка (порах песчаной среды) — разрежение. Оснастку для производства ледяных моделей и формовки использовали, заимствовав ее от ЛГМ-процесса. Модели получали замораживанием воды или водной композиции в алюминиевых пресс-формах или резиновых формах, охлаждая их в морозильной камере до -20…-18 град. С.
Наиболее перспективным оказался способ упрочнения оболочковой формы путем образования адгезионно-когезионного комплекса с использованием явления капиллярного транспорта. Этому предшествовали исследования по созданию способов нанесения порошковых противопригарных красок на поверхность ледяной модели. Применение такого вида сухого покрытия основывалось на том, что при температуре близкой к точке плавления льда его поверхность является квазижидкостью с хаотичным расположением молекул воды в квазижидком слое, но одновременно с упорядоченной (по сравнению с кристаллом) ориентацией диполей в поверхностном слое льда. Такая ориентация диполей создает на поверхности льда электрический заряд, который способен удерживать на ледяных моделях слой насыпаемой на них порошковой краски толшиной 0,5…0,8 мм.
Этот слой покрытия на поверхности ледяной модели утолщали до песчаной оболочки 2- или 3-кратным нанесением порошковых материалов (обсыпкой с самопроизвольным удержанием на подложке) с поочередным помещением модели в увлажненную атмосферу, из которой на поверхности порошкового слоя осаждалась влага при температуре ниже точки росы или точки инея. При 200С воздух с влажностью 30%, 60% и 90% имеет соответственно точку росы (0С) 1,9; 12,0; 18,3. Такой разделительный тонкий слой влаги или инея давал возможность получать оболочку толщиной до 2…4 мм. В качестве порошковых покрытий наносили сухие смеси, состоящие в различных пропорциях из мелких фракций формовочного песка, порошков маршаллита, дистен-силлиманита.
Итак, за счет использования такого свойства льда как электрозаряд на его поверхности, наносят на модель первый сухой формовочный слой, а затем последовательно следующие слои с частичным упрочнением их путем увлажнения конденсированием от действия холода, передающегося от ледяной модели. Это создает достаточную прочную оболочку на модели для удержания стабильной стенки полости формы. Создание способов получения оболочковых форм с порошковой облицовкой (покрытием) вокруг разовой ледяной модели исключает или сводит к минимуму использование органических полимеров и заменяет пенопластовые или выплавляемые парафино-стеариновые модели.
Криотехнология литья из черных и цветных металлов по ледяным моделям защищена институтом ФТИМС НАН Украины десятками патентов. Нынешнее финансирование науки в Украине не позволяет быстро довести эту технологию до применения в цехе. Мы приглашаем научных и инженерных партнеров для совместных исследований и внедрения в производство этого экологически безопасного и ресурсосберегающего процесса литья.
