Окружающей среды и природопользования
Подготовка песка (транспортировка, просеивание, охлаждение, смешивание)
жүктеу/скачать 9.9 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 6.5.3 Формовка с помощью природного песка
- 6.5.4 Формовка с помощью песка связанного глиной (формовка сырой формовочной смеси)
- 6.5.5 Формовка с помощью песка без связывающих составов (V-процесс)
- 6.5.6 Формовка и создание пустот с помощью химических связывающих составов
- 6.5.6.1 Процессы с холодным отвердеванием
- 6.5.6.2 Процессы, в которых отвердевание происходит под действием газа
- 6.5.6.3 Процессы горячего отвердевания
- 6.5.6.4 Покрытие химически связываемых песчаных литейных форм и стержней
- 6.5.7 Отливка с использованием одноразовой модели
- 6.5.8 Подготовка постоянных (металлических) литейных форм
- 6.5.9 Прецизионное литье и керамическая оболочка
6.5.2 Подготовка песка (транспортировка, просеивание, охлаждение, смешивание)6.5.2.1 Подготовка песка для приготовления сырой формовочной смеси Одним из основных преимуществ использования сырой формовочной смеси является то, что песок из литейных форм может быть восстановлен для многократного повторного использования. Производственный цикл типичного завода по приготовлению сырой формовочной смеси изображен на Рисунке 6.27, а некоторые примеры смесителей формовочной смеси представлены на Рисунке 6.28. 
Рисунок 6.27 - Технологическая схема производственного цикла типичного участка по приготовлению сырой формовочной смеси [10] 
Рисунок 6.28 - Различные типы смесителей формовочной смеси [29] Поскольку песок обычно содержит металлические элементы в виде примесей, например, осколки, капли расплава, куски вертикального литника или даже небольшие части отливки, все эти включения должны быть удалены, сначала с помощью магнитного сепаратора. Если разделение с помощью магнитного сепаратора при чугунном литье не эффективно или не возможно, то разделение может быть выполнено с помощью вихревых сепараторов. Оставшиеся куски спекшегося песка затем разбиваются. Важно не нарушить структуру песка, чтобы предотвратить расслоение песка и бентонита. Обычно песок должен быть охлажден, чтобы сохранить уровень влажности готового песка постоянным настолько, насколько это возможно, и избежать потерь при испарении. Охлаждение часто выполняется в кипящем слое, что также позволяет удалить пыль из песка, удаляя мелкие фракции. Песок затем просеивается, чтобы удалить оставшиеся крупные фракции, и засыпается в бункер перед смешиванием с заданным количеством присадок, например, глиной, водой и т.д., для подготовки сырой формовочной смеси для повторного использования. [1], [10]
При использовании естественного песка, который представляет собой уже готовую природную смесь, отсутствуют высокие требования к перемешивающему оборудованию, как при использовании синтетического песка. Он главным образом используется на небольших литейных заводах для литья цветных металлов (например, меди) и не используется на литейных заводах для производства чугуна и стали. 6.5.4 Формовка с помощью песка связанного глиной (формовка сырой формовочной смеси)Формовка сырой формовочной смесью представляет собой самый общий процесс формовки. Сырая формовочная смесь обычно не используется для изготовления пустот. Пустоты формируются с помощью химических связывающих составов. Сырая формовочная смесь – это единственный процесс, в котором используют смесь сырого песка. Смесь приготавливается из приблизительно 85 - 95 % кварцевого песка (либо оливина, либо циркона); 5% - 10% бентонитовой глины; 3% - 9% углеродсодержащих материалов, например, порошкообразный уголь, нефтепродукты, кукурузный крахмал или древесная мука; и 2% - 5% воды. Глина и вода действуют как связывающие элементы, скрепляя гранулы песка. Углеродсодержащие материалы сгорают, когда расплавленный металл заливается в литейную форму, создавая восстановительную газовую среду, препятствующую окислению металла при его затвердевании. В таблице 6.7 представлен обзор присадок, используемых для различных типов металлического литья. Таблица 6.7 Состав добавочной смеси для подготовки сырой формовочной смеси (исключая воду) [30]
Сырая формовочная смесь имеет целый ряд преимуществ перед другими способами литья, что подтверждено ее широко распространенным использованием. Процесс может использоваться как для отливки черных, так и цветных металлов, и с его помощью можно производить более разнообразный состав изделий, чем с помощью любого другого способа литья. Например, сырая формовочная смесь используется для производства всех типов отливок, от небольшого, прецизионного литья, до большой отливки, весом до тонны. Если обеспечено равномерное прессование песка и точный контроль его свойств, то могут быть получены довольно малые допуски по размерам отливки. Процесс также имеет преимущество в том, что требует относительно короткого времени для изготовления литейной формы, по сравнению со многими другими процессами. Кроме того, его относительная простота делает его идеально подходящим для использования в механизированном производственном процессе. Хотя все еще используется ручная формовка, машинная формовка в настоящее время является самой широко распространенной. Формовочной машиной должны выполняться две последовательных операции: первоначальная трамбовка песка, после чего следует снятие модели с уплотненной формы. В обычно используемых производственных процессах соблюдаются рабочие правила, описанные ниже. Формовочные прессовальные машины используют давление для уплотнения песка, который подается под прессовую плиту или под много-поршневую прессовую головку. Формовка путем одноразового сжатия становится менее эффективной при увеличении размера половины литейной формы. В таких случаях, чтобы увеличить качество прессования песка, следует использовать вибростол. При ударном прессовании песок подается под действием силы тяжести в опоку и уплотняется путем кратковременной подачи сжатого воздуха через быстрый рабочий клапан. Этот процесс дает высокое и однородное уплотнение, особенно в песке, окружающем модель. Формовка без применения опоки, как с вертикальным, так и с горизонтальным разделением, позволяет достичь значительной эффективности производства. Может быть достигнута высокая точность литейной формы, но этот процесс требует наличия эффективной установки и высококачественных моделей. [1], [5] 6.5.5 Формовка с помощью песка без связывающих составов (V-процесс)Для этого процесса используется сухой песок, уплотненный путем вибрации без каких бы то ни было связывающих добавок, и песок, удерживаемый между двумя листами полиэтилена под частичным вакуумом. Производство полуформ представлено на Рисунке 6.29. Процесс можно разбить на следующие этапы: - модель устанавливается в герметичной камере, которая связана с вакуумным насосом. Модель вентилируется через отверстия небольшого диаметра, расположенные в воздухонепроницаемой камере; -тонкая пленка из полиэтилена винилацетата (REVA), имеющая толщину 75 - 100 микронов, нагревается до 85 ºC; - пленка, которая расширена под действием температуры, накладывается на модель и фиксируется с помощью вакуума, прикладываемого к воздухонепроницаемой камере; - опока, в которой может быть создан вакуум, размещается на модели, и заполняется сухим песком; - этот песок уплотняется путем вибрации, выравнивается, и на песок накладывается второй слой пленки REVA; - воздух откачивается из опоки и одновременно с этим подключается вакуум к воздухонепроницаемой камере; вакуум придает песку жесткость, и после этого половина литейной формы может быть снята; - вторая половина литейной формы изготавливается таким же образом, и затем обе половины собираются и закрываются, при этом вакуум все еще продолжает действовать; - теперь можно заливать металл. Эти две опоки остаются под действием вакуума до тех пор, пока отливка не охладится в достаточной степени, чтобы ее можно было извлечь; - выбивка отливок из формы осуществляется путем простого отключения вакуума: песок стекает из ящика через сетку и может быть переработан после обеспыливания и отделения несгоревших пластмассовых листов. [10]
В таблице 6.8 представлено относительное использование различных процессов создания пустот на немецких автомобильных литейных заводах в 1991 г. Здесь показано, что на рынке доминируют холодный стержневой ящик с амином и система с горячей камерой. Более чем 90 % автомобильных литейных заводов используют систему холодного стержневого ящика с амином. Другие процессы (оболочка, CO2-силикат) используются главным образом как вспомогательные, то есть для создания пустот со специальными требованиями (размер, толщина,…). [5], [10] Таблица 6.8 - Процессы создания пустот, используемые на 48 автомобильных литейных заводах в Германии, 1991 г. [10]
6.5.6.1 Процессы с холодным отвердеваниемХолодное отвердевание песков происходит при температуре окружающей среды. Процесс начинается, когда в состав вводится последний элемент. Он затем продолжается в течение от нескольких минут до нескольких часов, в зависимости от процесса, количества связывающего состава и силы связывающего реагента. Эти процессы чаще используются для изготовления литейных форм, чем для пустот, особенно при средних или больших размерах отливки. 6.5.6.1.1 Фенолы с кислотными катализаторами Этот процесс используется с 1958 г. Поскольку элементы относительно дешевые, он главным образом используется для производства больших деталей. Он применяется для всех типов сплавов. Затвердевание этих смол происходит более сложно и менее постоянно, по сравнению со смолами фурфурана. Смолы представляют собой либо фенол-формальдегид (PF), либо сополимеры форм-мочевины/фенол-формальдегида (UF/PF), оба являются "резолами", с отношением фенол-формальдегида выше единицы. Катализаторами являются паратолуол, ксилол или сульфо-бензол, иногда с добавкой серной кислоты, обычно используемой в разбавленном виде.
Эти связывающие составы, впервые использованные на литейных заводах в 1958 г., обычно используются для формовки и создания пустот в средних и больших отливках, при малом и среднесерийном производстве и для всех типов сплавов. Для стальных отливок используются только определенные типы составов, поскольку могут возникать трещины, заусенцы или небольшие раковины. Процесс допускает хорошую гибкость в применении и свойствах. Недостатком фурфурилового спирта (FA) является то, что он является стратегическим продуктом, подверженным изменениям рыночной цены. Связывающие составы на основе фурфурана сравнимы с фенольными составами по своему механизму отвердевания, а используемые кислотные катализаторы аналогичны для обоих процессов. Некоторые примеры вставок, изготовленных с помощью фурфурана, показаны на Рисунке 6.30. 
Рисунок 6.30 - Стержни, изготовленные на основе фурфурана [6] Добавление кислотного катализатора к смоле фурфурана вызывает экзотермическую поликонденсацию, которая вызывает отвердение связывающего состава. Смолы фурфурана поставляются с различными составами, все они основаны на фурфуриловом спирте: - смола фурфурана FA - форм-мочевина - фурфуриловый спирт UF - FA - фенол - формальдегид - фурфуриловый спирт PF - FA - форм-мочевина - фенол - фурфуриловый спирт UF - PF - FA - резолсинол - фурфуриловый спирт Р - FA Почти всегда добавляется силан, чтобы увеличить связывающие свойства комбинации песок-смола. Катализаторы представляют собой паратолуол, ксилол или сульфо-бензол, иногда с добавлением серной или фосфорной кислоты, обычно используемой в разбавленном виде. [13]
Этот процесс используется в незначительной степени для формовки и создания пустот, имеющих сужения, для стальных отливок, поскольку могут образовываться трещины или раковины. Однако, этого можно избежать добавлением оксида железа и высушивая литейные формы и стержни. В некоторых странах (например, в Швеции) этот тип связывающих составов не используется в течение 25 лет, главным образом из-за его влияния на производственные условия. Этот процесс основан на реакции полиприсоединения между феноловой смолой и изоцианатом (главным образом MDI), при использовании в качестве катализатора пиридина; в результате изменяется структура полиуретана. Все элементы находятся в растворе ароматического и/или полярного растворителя (то есть алифатического растворителя) с высокой точкой кипения. Следует избегать соприкосновения с водой, так как вода сильно взаимодействует с изоцианатом.
Этот процесс используется для мало- и средне-серийного производства. Он может использоваться для всех типов сплавов, но представляет особый интерес для легких сплавов, из-за легкости выбивки отливок из формы. Отсутствие азота в связывающих реагентах очень хорошо подходит для стальных отливок. Смола представляет собой щелочной фенол резоловый раствор, который взаимодействует с жидким сложным эфиром. Смола и сложный эфир образуют неустойчивый комплекс, вызывая образование геля. Комплекс распадается и вызывает поперечную полимеризацию смолы, создавая соль и алкоголь. В этом процессе скорость отвердевания не изменяется от скорости добавки отвердителя, а изменяется в зависимости от его сорта. Время отвердевания может изменяться от нескольких минут до более одного часа. Механические свойства сразу после затвердевания довольно низкие, но улучшаются со временем. 6.5.6.1.5 Алкидная смола, необожжённая Этот процесс используется главным образом для одиночных отливок или при мало-серийном производстве на сталелитейных заводах. Он обеспечивает хорошую чистоту поверхности и имеет хорошие свойства при изъятии отливок. Однако, он дорог. Модифицированная полиэфирная смола смешивается с изоцианатом, в результате получается полиуретановая смола, которая медленно затвердевает. Отвердевание литейной формы может быть ускорено с помощью катализатора и завершается при нагреве до 150 ºC.
Этот процесс используется главным образом на сталелитейных заводах, при изготовлении отливок среднего и большого размера при мелко- и средне-серийном производстве. Он подобен процессу, использующему необожженную алкидную смолу. Однако он имеет низкие свойства по выбивке отливок из форм и более низкую механическую прочность, чем органически связанные смолы. Процесс отвердевания состава силикат – полиэфир - песок имеет промежуточную стадию, при которой происходит гидролиз полиэфира под действием щелочного раствора силиката. В процессе гидролиза образуется глицерин и уксусная кислота, которая осаждает силикат в виде геля, формируя тем самым начальную связь. Дальнейшая прочность развивается по мере высыхания остаточного силиката.
Этот процесс используется только для отливок очень большого размера. Его применение важно для решения общественных задач. Во время формовки или создания стержней он не создает никаких проблем, связанных с охраной окружающей среды. 6.5.6.2 Процессы, в которых отвердевание происходит под действием газаВ этих процессах отвердевание начинается при вводе катализатора или отвердителя, имеющего газообразную форму. Скорость отвердевания может быть очень высокой, что позволяет достигать высокой производительности. Они могут использоваться для изготовления литейных форм и стержней ограниченного размера при средне-серийном или массовом производстве. За последние несколько лет их использование постоянно увеличивалось. Химические процессы, на которых основаны многие из процессов, использующих в качестве отвердителя газ, подобны процессам холодного отвердевания. Из-за газообразной формы катализаторов иногда необходимо собирать и подвергать дальнейшей обработке их выбросы. 6.5.6.2.1 Холодный стержневой ящик (амин в качестве отвердителя для фенолуретана) Этот процесс обычно используется для изготовления стержней, весом до 100 кг и более, и для малых литейных форм и обеспечивает очень высокую чистоту поверхности и хорошую точность размеров. Его характеристики по выбивке отливок превосходны, а песок может быть легко восстановлен. Пример холодного стержневого ящика показан на Рисунке 6.31. 
Рисунок 6.31 - Холодный стержневой ящик [6] Химия этого процесса, основанного на полиуретане, весьма подобна холодному отвердеванию полиуретана, например: он включает фенольную смолу и изоцианат (MDI). Только катализатор другой: - здесь используется третичный амин, например: триэтиламин (TEA), диметилэтиламин (DMEA), диметилизопропилен (DMIA) или диметилпропиламин (DMPA). Амин применяется в виде пара, используя сжатый воздух, азот или CO2 в качестве газа - носителя. И смола и изоцианат находятся в растворе ароматических или полярных растворителей, которые имеют высокие точки кипения. Следует избегать соприкосновения с водой, поскольку она сильно взаимодействует с изоцианатом и ослабляет связывающий состав. Амин подается либо нагнетателем, в котором сопутствующий газ, предпочтительно инертный, насыщается парами амина, либо с помощью инжектора, который отмеряет только необходимое количество амина, требуемое для работы, это количество переносится в песок сжатым воздухом или газообразным азотом. Скорость подачи отвердителя изменяется от 1,0 до 2,0 %, в зависимости от веса песка, при отношении смолы и изоцианата 50:50. Амин служит только как катализатор и не используется в реакции. После отвердевания он остается в песке литейной формы или в стержне и должен быть удален. Время, затрачиваемое на продувку в 10 - 15 раз больше времени инжекции амина. Количество амина, требуемого для отвердевания, составляет приблизительно 0,05 % от веса песка, но обычно используется от 0,10 до 0,15 %. В варианте процесса, называемого процессом ‘Cold-box Plus’, стержневой ящик нагревается до 40 – 80ºC, используя циркулирующую горячую воду. Это позволяет получить улучшенные механические свойства стержней, но требует больших временных затрат. [13] 6.5.6.2.2 Резол – термореактивный фенол-формальдегидный полимер Этот процесс является относительно новым. Его преимущества и недостатки подобны аналогичным значениям для процесса холодного отвердевания, из которого он и произошел. Поскольку его цена относительно высока, процесс главным образом используется для создания стержней. Даже при том, что задекларированы трудности в рециркуляции отработанной формовочной смеси, этот процесс широко используется, главным образом из-за его свойств выбивки отливок из форм; способность предотвращать растрескивание, образование прожилков и раковин; и из-за его низких уровней запаха. Процесс может использоваться для всех типов производства и сплавов, но главным образом он используется для легких и супер легких сплавов (простота при выбивке отливок из форм) и сталей (малый риск образования трещин). Смола представляют собой термореактивный фенол-формальдегидный полимер в щелочной форме, который взаимодействует с солью муравьиной кислоты и в результате получается метанол и щелочная соль муравьиной кислоты. Фенольная смола осаждается в виде геля, который связывает все элементы состава вместе. Дальнейшее образование поперечных связей при хранении приводит к еще более высокой силе сцепления. Соль муравьиной кислоты представляет собой жидкость при температуре окружающей среды, точка кипения которой равна 32ºC, но она переходит в газообразное состояние на воздухе, обычно нагретом до температуры 80ºC; который также используется в качестве несущей среды процесса. Период газообразования всегда сопровождается продувкой, целью которой является равномерное распределение соли муравьиной кислоты по массе песка. 6.5.6.2.3 Смолы фурфурана, отвердитель SO2 Этот процесс больше не находится в широком использовании, хотя и подходит для широкого применения в производстве литейных форм и стержней малых и средних размеров при любом сплаве. Катализатор, содержащий серу, может вызвать некоторые металлургические проблемы на поверхности отливок из пластичного чугуна. Основными преимуществами, которые он имеет, являются длительный срок службы готового песка, хорошие механические свойства и характеристики выбивки отливок из форм и предотвращения растрескивания. Тем не менее, его эффективное использование ограничено из-за высокой адгезии смолы и из-за проблем использования диоксида серы в качестве упрочняющего элемента. Этот процесс использует смолы фурфурана, которые содержат приблизительно 80 % фурфурилового спирта. Обе смолы полимеризируются в кислотных средах. Эти смолы должны смешиваться с песком и с окисляющими реагентами, например, с органическими перекисями или с перекисью водорода. При реакции между этими перекисями и введенным диоксидом серы образуется серная кислота, которая вызывает быструю полимеризацию. Период газообразования всегда сопровождается продувкой, целью которой является удаление излишка, не вступившего во взаимодействие диоксида серы из песчаной массы. [1], [10]
Этот процесс имеет много преимуществ: хорошая способность к прессованию; длительный срок службы подготовленного песка (мешалки или долбежные головки можно не очищать); хорошие механические свойства; отсутствие азота, фенола или формальдегида; хорошие характеристики по выбивке отливок из форм и хорошая стойкость к образованию трещин. Однако, высокая стоимость компонентов связывающего состава все же является одним из основных недостатков. Этот процесс характеризуется не типом смолы, а способом образования ее поперечных связей, которое происходит с помощью свободных радикалов. Смола должна содержать двойные углеродные связи: могут использоваться полиэфир - акрил, полиэфир - уретан или полиэфир - эпоксидные смолы. Эти смолы обычно имеют небольшой молекулярный вес и разбавляются органическими растворителями почти на 50 % веса, хотя возможно использование и других типов растворителей. Они смешиваются с органической перекисью, которая действует как инициатор реакции. При отвердевании диоксид серы переносит инертный газ, например, двуокись углерода или азот, через песок. Период газообразования всегда сопровождается продувкой тем же самым инертным газом, который использовался в качестве отвердителя, целью которой является удаление излишка не вступившей во взаимодействие двуокиси серы из песчаной массы. 6.5.6.2.5 Кремнекислый натрий (жидкое стекло), отвердитель CO2 Этот процесс дает реальные преимущества: он дешев, прост в работе и экологически чистый. Также в части сохранения здоровья рабочих и безопасности работы, эта методика имеет преимущества перед органическими связывающими составами. Его использование, однако, заметно снизилось по техническим причинам, например, из-за слабого прессования и проблем с разрушением, низкой механической прочностью, чувствительностью к растрескиванию, влажности и неполной утилизации. Кроме того, использование жидкого стекла может привести к увеличению затрат на очистку. Стержни достигают своей полной прочности только после длительной просушки. Это снижает их применяемость в автоматизированных процессах. Методика поэтому применяется главным образом на литейных заводах мелкого масштаба. Обычно используемым силикатом является кремнекислый натрий, характеризуемый своей концентрацией (содержание в сухом твердом состоянии), и модулем (отношением кварца к углекислому натрию, SiO2/Na2O). Значение модуля колеблется от 2,0 до 2,8, наиболее часто встречающееся значение 2,0 – 2,3. Этот силикат смешивается с песком до концентрации 2 - 4 %. Обычно используются добавки, обеспечивающие легкость выбивки отливок из формы, которые предварительно перемешиваются с силикатом. Отвердевание происходит под действием двуокиси углерода, благодаря ее слегка кислотным свойствам. Концентрация CO2 не должно превышать 1 - 2 % от массы песка, при времени отвердевания в диапазоне 10 - 60 секунд. Отвердевшие литейные формы и стержни не требуют очистки. [21], [33] 6.5.6.2.6 Щелочной фенол (alkaline phenolic), отвердитель CO2 Впервые этот процесс был применен в 1989 г. и с тех пор подвергся значительным усовершенствованиям. В настоящее время он коммерчески доступен и применяется в нескольких местах, но его использование еще не получило широкого распространения. Смола представляет собой щелочной фенол, содержащий связывающую субстанцию, стабилизированную при высоком значении pH, приблизительно 14. Отвердевание происходит под действием газа с двуокисью углерода, который растворяется в водном растворе смолы, таким образом, снижая ее pH и активизируя отвердитель.
Горячие процессы отвердевания характеризуются большими выбросами: при нагреве смолы и катализаторы испускают вредные химические продукты, включая аммиак и формальдегид, который может быть источником сильного запаха. Чтобы решить эти проблемы были испробованы многие методики, например, очистка, сжигание или биодеструкция, но ни одна из этих методик не доказала свою эффективность. 6.5.6.3.1 Горячий стержневой ящик, фенол и/или фурфуран С помощью этого процесса можно изготавливать стержни с высокой точностью размеров и хорошей механической прочностью, но чтобы этого достичь, операторам необходима очень серьезная квалификация по предмету и управлению процессом производства. Ограничения данного процесса определяются его стоимостью, преимущественно стоимостью смолы, энергозатратами и модельным оборудованием, а также вредными условиями работы. В настоящее время он используется в производстве стержней малого или среднего размера в массовом производстве. Отвердитель для смолы и катализатор, активизирующийся под действием температуры, предварительно перемешиваются с песком и смесь насыпается в горячий стержневой ящик или модель, где она отвердевает в течение, приблизительно, 5 - 60 секунд. Можно использовать целый ряд смол, например: - мочевина - формальдегид UF - мочевина - формальдегид - фурфуриловый спирт UF - FA - фенол - формальдегид PF - фенол - формальдегид - фурфуриловый спирт PF - FA - мочевина - формальдегид - фенол - формальдегид UF - PF - мочевина-формальдегид-фенол-формальдегид-фурфуриловый спирт UF - PF – FA. Катализаторы представляют собой соли аммония минеральных кислот, иногда с добавлением мочевины, чтобы уменьшить количество свободного формальдегида. Кроме того используются и другие присадки, например, силаны, оксиды железа, антикоагуляторы и силиконовое масло. Добавка смолы изменяется от 1,2 до 3,0 %, в зависимости от веса песка, при среднем значении, приблизительно 1,8 %. Добавка катализатора изменяется от 10 до 25 %, в зависимости от веса смолы, в большинстве составов она оптимизирована и равна 20 %. Температура, чаше всего используемая для модели, колеблется от 230 ºC до 290 ºC, при оптимальном диапазоне 220 ºC - 250 ºC. Если в попытке ускорить период отвердевания используется повышенная температура, то поверхность стержня может быть перегрета, вследствие чего возможно образование трещин во время заливки. 6.5.6.3.2 Теплый стержневой ящик Этот процесс весьма подобен процессу с применением горячего стержневого ящика и использует те же самые технологии. Отличается только типом смолы, обеспечивающей отвердевание при более низкой температуре. Однако, этот тип смолы значительно дороже, чем используемый в процессе с применением горячего стержневого ящика. Поэтому процесс с применением теплого стержневого ящика, несмотря на некоторые реальные преимущества, не получил широкого распространения. Отвердитель имеет в своей основе фурфуриловый спирт с обычным составом: около 70 % фурфурилового спирта или изомеров фурфурилового спирта. Катализатором являются медные соли, полученные из ароматических сульфокислот, в растворе воды или спирта. Отличительной особенностью таких катализаторов является их высокая устойчивость при комнатной температуре и их относительно низкая температура диссоциации, которая составляет 150 - 170 ºC. Соответственно, температура оснастки может поддерживаться в пределах 180 ºC, что приводит к большой экономии энергии, приблизительно на 15 - 25 % , по сравнению с горячим стержневым ящиком.
Этот процесс отличается своей уникальностью среди всех способов формовки и изготовления стержней, в которых используется песок с покрытием, непосредственно поставляемый поставщиками и готовый к употреблению, хотя грунтование песка также может быть выполнено и на литейном заводе. Песок отвердевает с помощью нагрева в металлической модели, при этом создается твердый поверхностный слой. Не нагретый или не затвердевший песок может быть удален при переворачивании модели и в дальнейшем использован повторно. Отвердевший песок создает "оболочку", которая и дала название данному процессу. Этот процесс дает высокую точность размеров и хорошую чистоту поверхности отливки, имеет хорошие свойства по выбивке отливок из формы и позволяет неограниченно долго хранить грунтованный песок. Ограничением процесса является цена обработанного песка и затраты на оборудование модели. Его использование ограничено производством литейных форм и стержней малого и среднего размера при массовом производстве. Примеры литейной формы и стержней показаны на Рисунке 6.32. 
Рисунок 6.32 - Стержни (вверху) и литейные формы (внизу) [6] Смола, используемая для первого слоя (грунт) представляет собой фенол "новолак" (новолачная фенолформальдегидная смола), с отношением формальдегида/фенола менее 1. В качестве отвердителя к смоле добавляется гексаметилентетрамин. ‘Гекса’ разлагается при температуре 160ºC на 2 основных компонента: формальдегид и аммиак. Когда загрунтованный песок вступает в контакт с горячей моделью, гексаметилентетрамин разлагается, и образовавшиеся поперечные связи с участием формальдегида соединяют компоненты смолы, формируя характерную сильную связь. 6.5.6.3.4 Льняное масло Этот древний процесс, вероятно, является самым старым процессом обработки химически связанных песков. Он очень удобен в использовании, не нуждается в сложных моделях и имеет хорошую стойкость к сжатию и растрескиванию. Он все еще широко распространен в использовании для изготовления специализированных небольших стержней. Песок связывается с помощью смеси быстровысыхающих масел, чаще всего это широко распространенное льняное масло, часто с добавками декстрина и нескольких процентов воды. Скорость подачи масла изменяется от 0,8 до 4 %, в зависимости от веса песка. Для более быстрого высыхания могут добавляться специальные реагенты. Отверждение происходит при образовании поперечных связей ненасыщенных жирных кислот, содержащихся в быстровысыхающих маслах, вызванном кислородом воздуха и ускоренном путем нагрева в сушильной печи при температуре от 190 до 260 ºC в течение 1 - 2 часов.
По этим причинам часто бывает выгодно плакировать литейную форму или стержень с помощью огнеупорной футеровки, чтобы получить высокую чистоту поверхности отливки и снизить стоимость футеровки. 6.5.6.4.1 Состав покрытий Покрытия поставляются в готовом к использованию виде или как масса, которую требуется разбавить водой или спиртом. Обычно они содержат следующие элементы: - один или более огнеупорных заполнителей, например, тальк, пирофиллит, слюда, циркон, магнезит, кварц, и т.д., или формовочную краску; - жидкость-растворитель, в качестве которой может быть спирт (например, изопропиловый спирт, этиловый спирт) или вода; - высокотемпературные связующие реагенты, например, бентонит, смолы, борная кислота; - реологические реагенты, например, бентонит или синтетические полимеры; - присадки, например, сурфактанты, пеногасители, фунгициды, и т.д.
Покрытие может наносится на литейную форму или на стержень различными методами: - кистью - для малых стержней или при нанесении в конкретном месте; - окунанием - при сложной форме стержня; этот процесс часто автоматизируется; - распылением, обычно безвоздушным; - с помощью полива - при большом или среднем размере литейной формы или стержня. Если используются покрытия, основанные на спиртах, то рабочее помещение необходимо проветривать, чтобы предотвратить опасность воспламенения или взрыва. Плакированные литейные формы и стержни чаще всего обжигаются, что ограничивает выбросы. Если они не обожжены, то их сушка проводится в специальных испарителях летучих органических соединений, где выбросы вредных веществ находятся под контролем. Покрытие путем полива, с использованием спиртосодержащих продуктов, и последующий обжиг или сушка представлены на Рисунке 6.33.
Однако их применение имеет ограничения технического характера, а именно, качество непрерывного покрытия и ограничения в процессе сушки. Всестороннее обсуждение покрытий, основанных на водных растворах по сравнению со спиртами, представлено в разделе 6.3.3.7. [34] 
Рисунок 6.34 - Покрытие, наносимое путем окунания, основанное на водном растворе, после чего следует сушка в печи в потоке горячего воздуха [6] 6.5.7 Отливка с использованием одноразовой моделиПри отливке с использованием одноразовой модели, модель не удаляется из литейной формы перед заливкой. Модель, которая изготовлена из пористого материала, является однократно используемой и разрушается при заливке. Такие одноразовые модели могут вставляться либо в химически связанный песок, либо в несвязанный песок, уплотненный с помощью вибрации. Этот процесс, обычно называемый "Отливкой по одноразовой модели”, был разработан 30 лет назад, и его коммерческое распространение с самого начала было медленным. Однако, в течение последних 10 - 15 лет, его стали применять намного чаще, прежде всего для массового производства автомобильных запасных частей или подобных изделий, несмотря на значительные технологические трудности. 6.5.7.1 Несвязанный песок – Процесс, использующий одноразовую форму Процесс, использующий одноразовую форму (Рисунок 6.35), начинается с трехмерного проектирования (3D-CAD) и производства точно сформованной пористой модели, изготовленной из пенополистирола (EPS) или полиметилметакрилата (PMMA), путем автоматизированного машинного литья под давлением. Эти модели могут быть изготовлены из одного куска или путем сборки из нескольких частей с помощью клея. Обычно, число моделей, в зависимости от размера, ограничено литниковой системой, изготовленной из того же самого материала как и модель, таким образом создавая общую структуру. 
Рисунок 6.35 - Процесс, использующий вспенивающийся материал (литье по выплавляемым моделям) [13] Модельные структуры окунают в водный раствор огнеупорного покрытия, при этом создается барьер между расплавленным металлом и песком во время заливки. После сушки структура помещается в опоку, которая заполняется несвязанным песком. В песок может быть добавлена смола, имеющая низкую вязкость, чтобы предотвратить деформацию во время прессования. Песок уплотняется путем вибрации по трем направлениям, проникая через отверстия и воспроизводя в точности все детали модели, таким образом, отпадает необходимость в стержнях и в оборудовании для их изготовления. После заливки, расплавленный металл вызывает пиролиз полистирола и заполняет освобождаемое пространство. Песок, главным образом кварцевый, должен быть очень проницаемым, чтобы гарантировать удаление газов, возникающих при пиролизе. Используется песок с AFS-номером 35 – 50. Прерывание процесса заливки может вызвать разрушение песчаной литейной формы. Поэтому часто используется автоматизированная система отливки. Части отливки характеризуются очень хорошей точностью в размерах, как показано на Рисунке 6.36. Эта методика может использоваться для любого типа сплавов, и может применяться для средних и больших серий производства. Во время формовки процесс не оказывает вредного влияния на окружающую среду, но во время заливки и выбивки отливок из форм могут происходить выбросы газа, обусловленные испарением одноразовых моделей. Литье, использующее одноразовые формы, позволяет отливать сложные изделия, которые часто невозможно изготовить другими методами. Процесс позволяет проектировщикам разрабатывать более сложные формы изделий, снижать необходимость в механической обработке и минимизировать сборочные операции. На каждом этапе процесса необходимо осуществлять соответствующий контроль, чтобы гарантировать высокое качество отливки. Отсутствие всесторонних знаний относительно необходимых мер контроля замедлило распространение процесса отливки по выплавляемым моделям. [1], [13], [35]
Литье по выплавляемым моделям также может использоваться для изготовления единичных прототипов, таким образом, сокращая время на изготовление заказа. Кроме того данный метод может использоваться для производства очень больших деталей, например, станин для металлообрабатывающих станков, или прессов, и т.д., при литье чугуна, стали или сплавов цветных металлов. Толщина стенки может изменяться от 5 мм до 1000 мм. Используя этот метод, были отлиты детали весом до 50 тонн. При производстве таких больших отливок необходимо использование связывающих составов (фурфуран), чтобы достигнуть необходимой прочности литейной формы. Литье по выплавляемым моделям с использованием химически связанного песка, в этом случае также называемое “процессом, использующим полную литейную форму”, главным образом используется для изготовления отливок среднего и большого размера в единичном или мелкосерийном производстве. Модели изготавливаются из пористых материалов, имеющих низкую плотность, например: - белый пенополистирол, с плотностью 16 - 20 г/дм3 - синий, пенополистирол, также называемый "poresta- blue", с плотностью 18 - 22 г/дм3 - пенный полиметилметакрилат, также называемый PMMA, с плотностью 25 г/дм3. Из этих материалов вырезаются различные отдельные части, которые затем собираются и склеиваются с помощью горячего клеевого состава, таким образом, получается конечная форма отливки, также учитывающая все возможные ужатия металла. Собранная модель, с литниковой и питающей системой, должна быть плакирована, главным образом с помощью покрытий, основанных на водном растворе, и полностью высушена перед закладкой в песок. Необходимо тщательно подобрать процесс связывания песка, чтобы избежать увлажнения модели перед заливкой. Этот процесс, в части относящейся к формовке, весьма безвреден для окружающей среды, но производит газообразные выбросы во время заливки и выбивки отливок из форм, вследствие испарения одноразовых моделей и разрушения связывающего состава песка. Как и для процесса, не использующего связывающие составы, очень важна непрерывность заливки металла, чтобы предотвратить разрушение литейной формы. При отливке больших деталей заливка металла выполняется с помощью двух (или более) разливочных ковшей и двух (или более) отверстий для входа металла. Литье по выплавляемым моделям имеет следующие преимущества: - высокая точность размеров; - производство сложных по форме деталей, особенно имеющих внутренние пустоты; - объединение нескольких деталей в одну общую отливку; - уменьшение количества или исключение плоскостей разъема; - возможность тепловой регенерации песка. Несмотря на то, что литье по выплавляемым моделям и метод использования полной литейной формы известны в течение долгого времени, они широко не применяются в Европе. Это, прежде всего, обусловлено тем, что их оптимизация требует большого количества научных исследований. Основные сложности: - определение номенклатуры изделий: определение, какие части могут быть изготовлены более легко, по сравнению с традиционными методами; - выбор методики прессования: применение песка для полного заполнения всех пустот; - выбор покрытия и типа песка: они должны иметь достаточную газопроницаемость, допускающую выход выделяющихся газов.[13]
Если форма отливки не может быть легко изготовлена при помощи металлических литейных стержней, можно использовать песчаные стержни. Например, песчаные стержни используются для формирования расширительных полостей труб для центробежного литья. Постоянные литейные формы в основном покрываются "белой или черной краской"; эти реагенты, представляют собой огнеупорный состав - в случае белого цвета, и содержат графит - для черного цвета. Их функцией является обеспечение защиты кокиля, регулировка охлаждения кокиля путем испарения воды и смазка. Они также действуют как разделительные составы. В некоторых случаях чернение может быть сделано с помощью ацетиленовой горелки в отсутствии воздуха, ацетилен при сгорании образует сажу, которая частично осаждается на кокиле. Не осажденная сажа затем должна быть собрана и отфильтрована перед утилизацией. Постоянные литейные формы (или кокили) обычно не изготавливаются на литейном заводе, хотя на них все же имеются участки для сборки, обслуживания и ремонта кокилей. Этот тип операций, не создает экологических проблем.
Этапы процесса представлены на Рисунке 6.37. Он начинается с изготовления одноразовых восковых моделей, путем подачи расплавленного воска в алюминиевый или эпоксидный кокиль для формовки модели, которая является фактически точным дубликатом желаемой отливки. Воск может содержать наполнители. Для более малых отливок, несколько восковых моделей присоединяются к литниковой системе подачи воска. Для облегчения выемки восковых моделей используются растворимые в воде реагенты. Восковые модели очищаются с помощью водного или органического растворителя и покрываются смачивающим реагентом, который способствует осаждению керамической суспензии на воск. Модельная структура затем опускается в жидкую суспензию, на ней осаждаются гранулированный оксид кремния, цирконовый или алюминиево/кварцевый огнеупорный состав, и затем высушивается перед наложением следующего покрытия. Процесс покрытия продолжается пока не будет нанесена достаточно толстая оболочка. Высушенная литейная форма затем депарафинизируется в паровом автоклаве, в котором восковые модели выплавляются, или в "огневой печи", в которой воск может частично выгореть. После этого оболочка обжигается в печи при высокой температуре. При этом сжигается остаточный воск и обжигается керамика, - остается лишь одна керамическая оболочечная форма, в которую заливается расплавленный металл, чтобы сформировать отливку.
Жидкая керамическая суспензия содержит связывающий состав и очень чистый огнеупорный порошок, который выпадает в шлам при отсутствии постоянного перемешивания. Связывающим составом может быть коллоидный кремнезём, гидролизный этоксисиликат или гидролизный кремнекислый натрий,- выбор используемой технологии определяется технологическими требованиями. При использовании этилового силиката, сушка проходит быстрее, что ускоряет процесс, но выделяются пары этилового спирта. Эти пары, если они присутствуют в слишком большом количестве, должны быть собраны и обработаны подачей в вентиляцию. Депарафинизация и обжиг Депарафинизация с помощью парового автоклава не требует значительного наличия воздуха. Однако, ситуация может измениться, если депарафинизация проводится в печи с открытым пламенем, и во время обжига оболочки, когда сжигаются остатки воска. Это горение часто происходит при недостатке воздуха, что приводит к формированию частиц угольной сажи. Эти частицы должны быть собраны и, либо уничтожены путем дожигания, либо удалены. С этой целью успешно используются керамические фильтры, так как они выдерживают высокую температуру отходящих газов, но эта очень новая технология еще не получила широкого распространения. Эта методика используется, например, для точного литья и для художественной отливки. Обычно она не применяется на крупномасштабных литейных заводах (с загрузкой более 20 тонн/день), и поэтому упоминается здесь только для информации. Процесс образования керамической оболочки (запатентованный как Replicast®) увеличивает качество и точность прецизионного литья для больших элементов, использующего комбинацию принципов литья по выплавляемым моделям и прецизионного литья. В этом методе используется инертная, обожженная керамическая литейная форма. Чтобы создать литейную форму, создается пенополистироловая копия заданной детали, которая имеет точные размеры и высокую чистоту поверхности. Не требуются никаких поверхностей разъема или стержней, ни углов уклона, а полистироловые копии могут быть склеены вместе, для создания сложных конфигураций. Полистирол выжигается перед заливкой металла, позволяя использовать для заливки в литейную форму широкий ассортимент сплавов - от нержавеющей стали со сверх низким содержанием углерода, до сплавов на основе никеля. Этим он отличается от процессов с использованием выплавляемой модели, где жидкий металл затекает и замещает полистироловую модель, делая их непригодными для огромного большинства стальных элементов (в полистироле 92 % (весовых) углерода). [36]
жүктеу/скачать 9.9 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
