Создание отливок из металла по ледяным моделям по принципу «просто добавь воды»
УДК 621.74.045
В. С. Дорошенко, dorosh@inbox.ru
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
Создание отливок из металла по ледяным моделям по принципу «просто добавь воды»
Литейное создание железных заготовок является основной заготовительной базой машиностроительного комплекса, и от его развития зависят темпы развития машиностроения в целом как базисной отрасли индустрии. От свойства и количества продукции литейных цехов почти во всем зависит уровень производства машин и устройств.
Но, по степени вреда, наносимого окружающей среде, литейно-металлургический комплекс занимает 2-ое место посреди отраслей индустрии после топливно-энергетического комплекса. Нет колебаний, что охрана среды, предупреждение нарушения экологического равновесия оковём оптимального природопользования являются необходимыми факторами развития литейного производства. При зтом решающая роль отводится малоотходным и безотходным технологиям, обеспечивающим охрану природы на более высочайшем высококачественном уровне. Сейчас в действующих литейных цехах при производстве 1 т отливок из чугуна и стали выделяется около 50 кг пыли, 250 кг окиси углерода, 1,5-2,0 кг окиси серы, 1 кг окиси углеводородов и появляется до 5 т твёрдых песочных отходов [1]. В особенности экологически опасны процессы с внедрением полимерных смол и других органических связывающих, которые дают до 70% загрязнений природной среды от литейных цехов [1], по оценкам профессионалов будущее — за связывающими неорганического происхождения.
Криотехнология получения металлоотливок в песочных формах по ледяным моделям является одним из направлений инноваторского процесса в литейном производстве (как ледяные модели за рубежом делают роботы-принтеры, см.: www.membrana.ru/particle/1966). Она относятся к малоотходным и безотходным технологиям, обеспечивающим охрану природы на более высочайшем высококачественном уровне. Высочайшие нормы ресурсосбережения достигаются неоднократным внедрением формовочных материалов. С каждым годом в мире непреклонно растет создание отливок литьем по разовым моделям, так как эти методы четкого литья содействуют уменьшению металлоемкости отливок и увеличению их свойства.
Вербование криотехнологии в формовочные процессы, а именно для получения песочных форм по ледяным моделям, вызвано возможностью минимизации внедрения неорганических материалов (в т. ч. связывающих) методом получения оболочковых форм. Применение при всем этом агрегатных переходов воды (из водянистого в жесткое при замораживании модели, снова в жидкое – таяние модели при освобождении полости формы, а потом испарение при сушке влажной формы) в некий мере подобно кругообороту воды в природе. Эта вода для ледяных моделей на 30-90% и сухой песок формы на 80-90% (за вычетом песка участвующего в образовании оболочки методом пропитки – увлажнения), может употребляться неоднократно. Разработана разновидность вакуумной формовки по ледяным моделям (упакованным в пенку), при которой вода не попадает в песок формы, и может стопроцентно употребляться повторно вместе с неоднократным внедрением песка
В текущее время ФТИМС НАН Украины патентует три разновидности метода производства по разовым ледяным моделям песочных оболочковых форм из сыпучего формовочного материала [2]. При всем этом оболочка появляется методом затвердевания в ней самотвердеющей композиции при внедрении в контакт отвердителя со связывающим. 1-й вариант: ледяная модель служит носителем отвердителя, а облицовочный слой песка — связывающего. Во 2-м — ледяная модель служит носителем связывающего, а сухая песочная облицовочная смесь содержит отвердитель. Более экологически подходящий 3-й вариант: модель замораживается из незапятанной воды, которая не вступает в реакции отверждения формовочной консистенции с добавками реагентов отвердителя и связывающего, но без воды эти реакции не идут. Во всех 3-х методах подбирали составы связывающих композиций с наибольшей скоростью твердения, часто выискивая в технической литературе отвергнутые составы холоднотвердеющих песочных консистенций (ХТС) из-за их малой «живучести».
При изготовлении оболочковой формы методом засыпки песка в контейнер с ледяной моделью, виброуплотнения, таяния модели и пропитки песка получали песчаную корку шириной 4…8 мм и поболее. При всем этом в составе оболочки находится менее 0,3…0,4% связывающего от массы песка в контейнере, что на порядок меньше, чем в обычных формах из ХТС. В исследовательских работах упор делали на применение неорганических связывающих.
Составы ледяных моделей, в каких один реагент связывающей композиции находится в модели, а другой — в окружающей ее песочной консистенции, проявили довольно неплохую технологичность получения оболочковых форм методом пропитки аква составом от тающей модели. К примеру, для ледяных моделей из аква раствора водянистого стекла плотностью 1,08 г/см3 использовали песчаную смесь с добавлением быстротвердеющего цемента, в процессе пропитки которой твердение получаемой оболочки (шириной 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, выливали из затвердевшей оболочки, а оболочковую форму направляли на подсушку, или отрабатывали заливку металлом в сухом наполнителе с вакуумированием формы.
Создание и отработка методов получения оболочковых форм с противопригарной и тонкодисперсной облицовкой (покрытием) вокруг разовой ледяной модели закладывает базу новейшей крио(крио-вакумной) технологии литья маленьких и средних металлозаготовок. Она исключает либо сводит к минимуму внедрение органических полимеров: связывающего для песка оболочковой литейной формы, подменяет пенопластовые либо парафино-стеариновые модели на ледяные. Такая криотехнология литья по разовым моделям соответствует экологически незапятнанным безотходным технологиям с внедрением принципа «просто добавь воды».
Так как в описанной технологии отсутствуют дорогостоящие материалы и оборудование, то это позволяет советовать ее (еще на стадии отработки до промышленного уровня) в качестве применимой методической темы в учебных институтах для выполнения студентами-литейщиками НИР, курсовых и дипломных работ. Замораживают модели при температурах не ниже минус 15…18 град. С (для ускорения следующего таяния их в форме), зачем довольно бытовой морозильной камеры. Наблюдение образования поликристаллической структуры прозрачной модели, формовка в сухом песке, удаление модели, извлечение из сухого наполнителя и сушка оболочки обхватывают практически все процессы модельно-формовочной темы (с рядом фазовых переходов), с физико-химическим подбором модельно-связующих композиций, процессами тепло-массопереноса и поверхностными явлениями. А ознакомление с инноваторскими криовакуумными технологиями, оценка их экологичности, энергои ресурсосберегаемости даст достоинства юным спецам для внедрения их на производстве.
Криотехнология литья из темных и цветных металлов по ледяным моделям защищена институтом ФТИМС НАН Украины (г. Киев) десятками патентов на изобретения. Имеющееся финансирование науки не позволяет ученым стремительно ввести эту технологию, потому мы ведем поиск научных и инженерных партнеров для совместных исследовательских работ и внедрения такового вида литья в создание в целях решения заморочек экологии и ресурсосбережения.
Адресок для справок dorosh@inbox.ru, т.38(066)1457832
Рис. Ледяные модели, песочные оболочки, отливки из темных и цветных металлов по ледяным моделям.
Литература
1. Ткаченко С. С., Кривицкий В. С. Станкостроение и модернизация лит. пр-ва//Лит. пр-во сейчас и завтра: труды 8-й Всерос. н/пр. конф. – Спб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2010. С. 3-17.
2. Дорошенко В. С. Многовариантность использования ледяных моделей при литье в песочные формы // Металл и литье Украины. – 2010.№12. – С. 17 – 26.