З метою створення багаторівневої системи комплексного контролю та оперативного управління фізико-хімічними та технологічними ливарними процесами в роботі [1] визначено детермінований зв’язок між технологічними об’єктами для процесу лиття за моделями, що газифікуються (ЛГМ).

За основу показаної на рис. 1 блок-схеми нами взято таку схему з роботи [1] та виконано до неї деякі доповнення, що враховують останні досягнення і розробки відділу проф. О. Й. Шинського. На рис. 1 відображено зв’язки технологічних переділів і використано в якості ядра технологічного ланцюжка ЛГМ виробництво моделей зі спіненого полістиролу (СП), а також класифіковано ознаки якості і параметрів управління технологічними процесами для отримання литих конструкцій із залізовуглецевих сплавів.

З метою досягнення максимальної якості виливків, у тому числі підвищення механічних характеристик, для ливарних форм використовуються такі дисперсні неметалеві наповнювачі: кварцовий, цирконовий та магнезитовий пісок.

Для інтенсифікації теплообміну в контактній зоні «метал – форма» застосовували газоподібні та рідкі холодоагенти, а також накладення високого механічного тиску на рідкий і тверднучий метал. Ці розробки є основою інтенсифікації теплообмінних процесів у вакуумованій формі із заданою теплоаккумулювальною здатністю (блоки 4.1, 4.2, рис. 1). Крім того, в якості методу інтенсифікації теплообміну в контактній зоні «метал – форма» на схемі нами додано розроблені останніми роками способи руху піску навколо гарячого виливка  після  його  тверднення  у  таких  варіантах:

1) гравітаційне  висипання з форми піску з регульованою швидкістю крізь отвір зі змінною площею проходу;

2) створення псевдозрідженого шару піску в ливарній формі шляхом продування повітря крізь дно контейнера (ґрунтовне дослідження П. Б. Калюжного).

В першому випадку досягається усунення пилоутворення при більш швидкому охолодженні виливка і меншому нагрівання формувального піску, ніж в стоячому піску, одночасно з опустошенням формувального контейнера. В другому випадку можливе гартування виливка з гарячого литого стану безпосередньо у піщаній формі, де його вилито.

Рис. 1. Основні характеристики якості литих конструкцій та параметри управління якістю виливків при ЛГМ (до схеми з роботи [1] додано блоки 2.7, 2.8, 2.9 і доповнено блок 4.2)

Ефективне підвищення розмірної точності литих конструкцій може бути досягнуте шляхом армування моделей із пінополістиролу (ППС, або СП) металевими та неметалевими тілами, які одночасно є армувальною фазою  і виконують функцію внутрішніх холодильників (блок 2.3, рис. 1). Зниження шорсткості виливків забезпечується збільшенням щільності ППС за умови застосування «легких» моделей, що газифікуються, з орієнтованою пористістю (блок 2.5, рис. 1), а також останнім часом застосовуваними ППС-моделями з повною чи частковою 3D-друкованою полімерною оболонкою (блок 2.8, рис. 1) (експериментальні дослідження П.Б. Калюжного, О.В. Нейми).

На доданих (до схеми [1]) нами блоках 2.7, 2.8, 2.9 ознаки якості і параметрів управління технологічними процесами не вказано, вважаємо, що вони аналогічні вказаним для блоків 2.3, 2.4, 2.6. Зокрема, виконані О.А Яковишиним експерименти показали, що охолодження гранул ППС в морозильній камері перед спіненням їх в прес-формі (кріооброблення) (2.7, рис. 1) посилюють їх потенціал до розширення і дозволяють як утворення легких моделей з густиною ρ₅ = 18…20 кг/м³, так і замішування до 50% мелених відходів ППС з такими гранулами для виготовлення моделі в прес-формі.

Модель з інокулювальною фазою  (блок 2.9, рис. 1) вказано на основі досліджень І.А. Небожака, яким показано, що у випадку інокулювання чавунів та алюмінієвих ливарних сплавів за допомогою дисперсно-наповненої ППС-моделі витрати модифікаторів, лігатур й армувальної фази зменшуються в середньому на 25%, проти модифікування чи легування чавунного розплаву відкритим способом у ковші, або композиційному зміцнені алюмінієвих ливарних сплавів шляхом подачі армувальної фази на струмінь металу

Крім перерахованих характеристик якості литої конструкції, також класифіковано [1] й небажані характеристики, набуті в процесі технологічних переділів виготовлення виливків за ЛГМ-процесом, бо наявність дефектів у виливках веде до зниження якості литих конструкцій. Поверхневі дефекти на виливку (раковини) (блок 1.12, рис. 1) виникають за умови порушення термочасових параметрів заливання металу у форму з моделлю, що газифікується. Також раковини можуть утворюватися від перевищення густини моделі ρ₅ допустимого значення, низької газопроникності покриття K_пп та форми K_ф, а також створюваного в ній неприпустимо низького розрідження Р_в. Це знижує швидкість газифікації чи виключає фільтрацію рідких і парогазових продуктів термодеструкції моделі через зазор «метал-модель» δ, площа якого та опір міграції цих продуктів з форми залежить від швидкості W₁ (W_5-const), K_пп, K_ф [1]. Збільшення об’єму парогазових і рідких продуктів термодеструкції, що утворюються, залежить від швидкості W₁ (W_5-const), часу заливання t_з, температури заливання сплаву Т_з, тиску на метал Р₁, щільності моделі ρ₅, що газифікується, зазору δ та товщини стінки виливка R₁ [1]. Ці фактори стимулюють накопичення продуктів термодеструкції безпосередньо на межі «метал-покриття» при затвердінні виливка.

Утворення специфічного пригару (блок 1.9, рис. 1) на виливках відбувається при недостатньому віброущільненні наповнювача в контейнері. Таке відхилення характеризується низьким показником його насипної густини ρ₄, високим тиском на рідкий метал Р₁, що характерно при литті під високим тиском, необґрунтовано високою температурою заливання сплаву Т_з. До того ж величина пригару визначається високою газопроникністю покриття K_пп та форми K₄ і розрідженням у ній Р_в. При цьому утворення пригару при ЛГМ відбувається при проникненні рідкого металу крізь пори в протипригарному покритті під дією градієнта тиску (Р₁–Р_в). Тобто, ймовірність утворення пригару та його товщина пропорційні збільшенню значення цих показників [1].

Формозаповнюваність (блок 1.12, рис. 1) при литті з використанням моделей з ППС у багатьох випадках залежить від густини моделі ρ₅, швидкості заповнення форми W₁, тривалості заливання t_з, температури сплаву, що заливається, Т_з, тиску на метал Р₁ і товщини стінки виливка R₁. Збільшення густини ρ₅ при одночасному збільшенні швидкості W₁, часу газифікації моделі в цей період t_г, веде до нагромадження на фронті потоку металу великої кількості рідких продуктів термодеструкції ППС-моделі. Подальша газифікація цих продуктів відбувається з поглинанням теплоти рідкого металу, що веде до його переохолодження й формування твердої фази в основній частині потоку, а останнє приводить до передчасної зупинки потоку металу і неповного заповнення ним форми (недолив виливка) [1].

Напруження у виливку (блок 1.5, рис. 1) при ЛГМ виникають переважно у вакуумованій формі. Вони пов’язані з надлишковими тривалістю і рівнем вакуумування наповнювача в контейнері (Р₁, t_в) у період затвердіння й охолодження виливка, що усуває піддатливість форми. Це створює умови для збільшення напружень у виливках аж до їхнього жолоблення та утворення тріщин. Для зниження рівня або зняття напружень у виливках необхідно оптимізувати тривалість вакуумування форми [1].

Ливарна усадка (блок 1.10, рис. 1) при ЛГМ збільшується при високій піддатливості наповнювача форми в період затвердіння виливка після зняття вакууму з контейнера (контейнерної опоки). Для стабілізації рівня ливарної усадки виливків необхідно оптимізувати величину Р₁ та тривалість t_в вакуумування форми [1].

Література:

1. Принципи побудови та ідентифікації багаторівневої системи контролю параметрів технологічного циклу одержання литих конструкцій / О. Й. Шинський, І. А. Шалевська, В. О. Шинський, П. Б. Калюжний, Т. В. Лисенко та ін. // Eastern-European Jornal of Enterprise Technologies. – 2018. – С. 25-32.