Литье по выплавляемым моделям¶

Литье по выплавляемым моделям — это технологический процесс получения металлических отливок, при котором для изготовления разовой литейной формы используется модель, удаляемая из неё перед заливкой металла путём выплавления или выжигания. Данный метод относится к классу точных видов литья и позволяет получать изделия сложной конфигурации с высокой точностью размеров (до 5–7 квалитета) и низкой шероховатостью поверхности (Ra 1,25–6,3 мкм), что в ряде случаев исключает последующую механическую обработку.

¶История развития

Прообраз технологии литья по выплавляемым моделям известен с древности. Археологические находки свидетельствуют, что ещё в III тысячелетии до н. э. в Месопотамии и Древнем Египте применяли метод «потерянной восковой модели» для изготовления ювелирных украшений, статуэток и культовых предметов. Технология была известна также в Древней Греции, Китае (эпоха Шан, около 1600–1046 гг. до н. э.) и в доколумбовой Америке (цивилизации майя и инков).

В промышленных масштабах литьё по выплавляемым моделям начали применять в конце XIX — начале XX века. В 1897 году в США был получен патент на способ изготовления зубных протезов из золота по восковым моделям. В 1930-х годах метод начали использовать в авиационной промышленности для производства лопаток газовых турбин и других деталей из жаропрочных сплавов, которые было трудно или невозможно обрабатывать резанием.

В СССР активное внедрение технологии пришлось на 1940–1950-е годы, что было связано с развитием реактивной авиации и ракетной техники. К середине XX века литьё по выплавляемым моделям стало одним из основных методов получения точных заготовок в машиностроении, приборостроении и оборонной промышленности.

¶Технологический процесс

Процесс литья по выплавляемым моделям включает несколько последовательных этапов.

¶Изготовление пресс-формы

Для серийного производства моделей изготавливается металлическая пресс-форма (обычно из стали или алюминия). Внутренняя полость пресс-формы точно повторяет конфигурацию будущей детали с учётом усадки металла и модельного состава.

¶Изготовление моделей

Модельный состав — смесь на основе легкоплавких веществ: парафина, стеарина, церезина, воска, а также полимерных добавок (полиэтилен, полистирол). Состав подбирается в зависимости от требуемой прочности, температуры плавления и усадки. Модельный состав расплавляется и под давлением (0,3–5 МПа) впрыскивается в пресс-форму. После застывания получается точная копия детали — восковая модель. Для сложных деталей модель может собираться из нескольких отдельных элементов.

¶Сборка модельного блока

Несколько восковых моделей (обычно от 5 до 50 штук) прикрепляются к центральному стояку — литниковой системе, также изготовленной из модельного состава. Модели располагаются таким образом, чтобы обеспечить равномерное заполнение форм металлом и направленное затвердевание. Сборка образует «ёлочку» или «гроздь».

¶Нанесение оболочки

Модельный блок многократно окунается в суспензию — жидкую керамическую смесь на основе огнеупорного наполнителя (кварц, корунд, циркон, дистен-силлиманит) и связующего (этилсиликат, жидкое стекло, гидролизованный раствор). После каждого окунания блок обсыпается сухим огнеупорным песком (кварцевым, цирконовым, шамотным) для формирования слоя. Операция повторяется 4–8 раз, в результате чего образуется прочная керамическая оболочка толщиной 5–15 мм. Каждый слой сушится при определённой температуре и влажности.

¶Удаление модели

После отверждения оболочки модельный состав удаляется. Существует два основных способа:

• Выплавление — блок помещается в горячую воду (90–100 °C) или в паровую камеру. Модельный состав плавится и вытекает, оставляя полость, точно повторяющую форму модели.
• Выжигание — блок нагревается в печи до 300–600 °C, при этом модельный состав испаряется или сгорает. Этот способ применяется для моделей с полимерными добавками.

¶Прокалка формы

Керамическая оболочка после удаления модели подвергается прокалке при температуре 800–1100 °C. Цель прокалки — удаление остатков модельного состава, упрочнение керамики, а также нагрев формы до температуры, близкой к температуре заливки металла (для предотвращения преждевременного затвердевания).

¶Заливка металла

Расплавленный металл (чугун, сталь, цветные сплавы, жаропрочные сплавы) заливается в нагретую керамическую форму. Заливка может производиться в вакууме, под давлением или в атмосфере инертного газа — в зависимости от требований к качеству отливки.

¶Охлаждение и выбивка

После затвердевания металла форма охлаждается. Керамическая оболочка разрушается механически (вибрация, пескоструйная обработка, гидроудар). Отливки отделяются от литниковой системы (обычно газовой резкой или абразивным инструментом).

¶Очистка и контроль

Отливки очищаются от остатков керамики (химическим или механическим способом), проходят термообработку (отжиг, нормализация, старение) и контроль качества: визуальный, измерительный, рентгенографический, ультразвуковой.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Высокая точность размеров (5–7 квалитет) и низкая шероховатость поверхности (Ra 1,25–6,3 мкм).
• Возможность получения деталей сложной конфигурации: с тонкими стенками (до 0,5 мм), глубокими полостями, поднутрениями, резьбой.
• Изготовление деталей из труднобрабатываемых сплавов (жаропрочных, коррозионностойких, титановых).
• Снижение или полное исключение механической обработки, что экономит материал и время.
• Высокая чистота металла (отсутствие газовых раковин и шлаковых включений при правильной технологии).

¶Недостатки

• Высокая трудоёмкость и длительность цикла (от нескольких дней до недель).
• Ограничения по массе отливок (обычно до 50–100 кг, редко до 500 кг).
• Высокая стоимость оснастки (пресс-форм) и материалов (модельных составов, керамики).
• Сложность автоматизации процесса (многие операции выполняются вручную).
• Ограниченная стойкость керамической оболочки (одноразовое использование).

¶Области применения

Литьё по выплавляемым моделям широко применяется в отраслях, где требуется высокая точность и сложность деталей:

• Авиа- и ракетостроение: лопатки турбин, сопловые аппараты, рабочие колёса компрессоров, корпуса приборов, детали двигателей.
• Энергетика: лопатки паровых и газовых турбин, детали насосов, клапаны.
• Автомобилестроение: детали топливной аппаратуры, турбокомпрессоры, элементы подвески, зубчатые колёса.
• Медицинская техника: эндопротезы суставов, хирургические инструменты, имплантаты.
• Приборостроение: корпуса приборов, детали точной механики, шестерни.
• Ювелирное дело: изготовление украшений из драгоценных металлов (золото, серебро, платина).
• Оборонная промышленность: детали стрелкового оружия, артиллерийские снаряды, элементы ракет.

¶Разновидности метода

Существует несколько модификаций литья по выплавляемым моделям:

• Литьё по выплавляемым моделям с керамической оболочкой — классический метод, описанный выше.
• Литьё по выплавляемым моделям с гипсовой формой — применяется для цветных сплавов (алюминий, магний, цинк) при пониженных температурах заливки.
• Литьё по выплавляемым моделям с оболочкой из жидкого стекла — упрощённый вариант, используемый для стальных отливок среднего качества.
• Литьё по газифицируемым моделям (литьё по пенополистироловым моделям) — модель из пенополистирола испаряется при заливке металла, не оставляя полости. Этот метод отличается от классического, но иногда рассматривается как разновидность.

¶Интересные факты

• Технология «потерянной восковой модели» использовалась для отливки знаменитой скульптуры «Дискобол» (Мирон, V век до н. э.) и многих других античных бронзовых статуй.
• В современной ювелирной промышленности до 90% изделий изготавливаются методом литья по выплавляемым моделям.
• Литьё по выплавляемым моделям позволяет получать отливки с толщиной стенки до 0,3 мм.
• В 2010-х годах в России (на предприятиях «ОДК-Сатурн», «Пермский моторный завод») внедрены технологии литья по выплавляемым моделям для производства монокристаллических лопаток газотурбинных двигателей, работающих при температурах до 1600 °C.

¶Источники

• Технология литейного производства: учебник для вузов / под ред. А. М. Михайлова. — М.: Машиностроение, 2010.
• Литьё по выплавляемым моделям: справочник / под ред. В. А. Смирнова. — М.: Металлургия, 1985.
• ГОСТ 26645-85 «Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку».
• Белов В. Д., Кессельман Г. С. Технология литейного производства. — М.: Высшая школа, 2004.
• Абрамов Г. Г., Борисов Г. П. Литьё по выплавляемым моделям. — М.: Машиностроение, 1978.