Литьё с газовой поддержкой

Литьё с газовой поддержкой — это технологический процесс литья, при котором в полость литейной формы или в расплавленный металл подаётся инертный или активный газ под давлением для улучшения заполнения формы, повышения плотности отливки и снижения пористости. Метод относится к специальным видам литья и применяется для получения сложных тонкостенных деталей из алюминиевых, магниевых и медных сплавов, а также для изготовления отливок с повышенными требованиями к герметичности и механическим свойствам.

История

Первые эксперименты по использованию газов в процессах литья относятся к середине XX века. В 1950-х годах в СССР и США начались исследования по применению сжатого воздуха и азота для улучшения заполнения тонкостенных форм. В 1960-х годах в литейном производстве авиационной промышленности стали внедрять литьё с газовой поддержкой для изготовления корпусных деталей двигателей.

В 1970-х годах в Японии и Германии разработали процессы с использованием углекислого газа и аргона для борьбы с окислением расплава. В 1980-х годах метод получил распространение при литье под высоким давлением, когда газ начали подавать непосредственно в пресс-форму для вытеснения остатков воздуха и предотвращения газовой пористости.

В 1990-х годах в России на предприятиях авиакосмического комплекса (например, НПО «Сатурн», Уфимское моторостроительное производственное объединение) внедрили литьё с газовой поддержкой для изготовления лопаток турбин и корпусов насосов. В 2000-х годах метод активно применялся в автомобильной промышленности, в частности на заводах «АвтоВАЗ» и «КАМАЗ» для отливки корпусов коробок передач и блоков цилиндров.

Классификация

Литьё с газовой поддержкой классифицируется по способу подачи газа и типу используемого газа.

По способу подачи газа

• Литьё с газовой поддержкой в форме — газ подаётся в полость литейной формы через специальные каналы или пористые вставки. Применяется для вытеснения воздуха и создания избыточного давления, улучшающего заполнение тонких сечений.
• Литьё с газовой поддержкой в расплав — газ барботируется через расплавленный металл в тигле или ковше. Используется для дегазации и модификации структуры сплава.
• Литьё с газовой поддержкой в пресс-форме — при литье под высоким давлением газ подаётся в пресс-форму после впрыска расплава для компенсации усадки и уменьшения пористости.

По типу газа

• Инертные газы — аргон, гелий, азот (высокой чистоты). Не вступают в химическое взаимодействие с расплавом, предотвращают окисление.
• Активные газы — углекислый газ, кислород, хлорсодержащие смеси. Взаимодействуют с расплавом, образуя оксиды или хлориды, которые удаляются в шлак.
• Смеси газов — например, аргон с 5–10 % водорода для создания восстановительной атмосферы.

Устройство и оборудование

Технологический комплекс для литья с газовой поддержкой включает:

• Газовую систему — баллоны с газом, редукторы, фильтры, регуляторы расхода и давления. Для инертных газов используются баллоны ёмкостью 40–50 литров под давлением 150–200 атмосфер.
• Газоподводящие каналы — трубопроводы из нержавеющей стали или меди, оснащённые запорной арматурой и манометрами.
• Формы с газовыми каналами — литейные формы, в которых выполнены специальные полости или установлены пористые вставки (например, из пористой керамики или металлокерамики) для равномерной подачи газа.
• Систему управления — программируемые контроллеры, синхронизирующие подачу газа с циклом заливки металла.

Для литья с газовой поддержкой в расплав используются погружные фурмы (трубки из графита или керамики) с отверстиями диаметром 1–3 мм.

Технологический процесс

Процесс литья с газовой поддержкой включает следующие этапы:

1. Подготовка газа — газ осушается и очищается от примесей (влаги, кислорода, масла) до содержания не более 0,001 %.
2. Нагрев формы — форма нагревается до 150–300 °C для предотвращения термического удара.
3. Подача газа — газ подаётся в полость формы или в расплав за 0,5–2 секунды до начала заливки или одновременно с ней. Давление газа составляет 0,1–1,0 МПа (1–10 атмосфер).
4. Заливка металла — расплавленный металл заливается в форму под действием силы тяжести или под давлением (при литье под высоким давлением).
5. Выдержка под давлением — после заполнения формы газ продолжает подаваться в течение 10–60 секунд для компенсации усадки и уплотнения структуры.
6. Охлаждение и извлечение отливки — форма охлаждается, газ отключается, отливка извлекается.

Применение

Литьё с газовой поддержкой применяется в следующих отраслях:

• Авиакосмическая промышленность — изготовление корпусов двигателей, лопаток турбин, деталей топливной аппаратуры. В России метод используется на предприятиях «ОДК-Сатурн», «Пермские моторы», «Уфимское агрегатное объединение «Гидравлика».
• Автомобильная промышленность — отливка блоков цилиндров, головок блоков, корпусов коробок передач, впускных коллекторов. На «АвтоВАЗе» метод применяется для отливки корпусов сцепления из алюминиевого сплава АК9ч.
• Судостроение — изготовление гребных винтов, корпусов насосов, арматуры трубопроводов.
• Энергетика — производство корпусов газовых турбин, деталей паропроводов.
• Медицинская техника — отливка корпусов хирургических инструментов и имплантатов из титановых сплавов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Снижение газовой пористости в 2–5 раз по сравнению с обычным литьём.
• Улучшение заполнения тонкостенных сечений (толщиной до 0,5 мм).
• Повышение плотности и герметичности отливок (снижение брака по течи на 30–50 %).
• Уменьшение окисления расплава и образования шлака.
• Возможность получения отливок сложной конфигурации с минимальной механической обработкой.

Недостатки

• Высокая стоимость оборудования и газов (особенно аргона и гелия).
• Необходимость строгого контроля чистоты газа (примеси влаги вызывают дефекты).
• Ограничение по толщине стенок (при толщине более 10 мм эффект снижается).
• Повышенные требования к герметизации формы (утечки газа снижают эффективность).
• Риск образования газовых пузырей при неправильном режиме подачи.

Примеры

• Отливка корпуса редуктора вертолёта Ми-8 — из алюминиевого сплава АЛ9-1 с подачей аргона под давлением 0,3 МПа. Пористость снижена с 3 % до 0,5 %, брак по течи уменьшен на 40 %.
• Отливка блока цилиндров двигателя ВАЗ-2112 — из сплава АК9ч с подачей азота в пресс-форму. Достигнута плотность 99,8 % от теоретической.
• Отливка лопатки турбины газотурбинного двигателя — из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У с подачей аргона в форму. Обеспечена равномерная структура без усадочных раковин.

Интересные факты

• В 1970-х годах в СССР разработали метод литья с газовой поддержкой с использованием углекислого газа, который не только вытеснял воздух, но и образовывал на поверхности расплава защитную плёнку карбонатов.
• В 2010-х годах в Германии (компания BMW) внедрили литьё с газовой поддержкой для отливки корпусов электродвигателей, что позволило снизить вес деталей на 15 %.
• В России литьё с газовой поддержкой активно применяется на предприятиях «Ростеха» (в частности, в холдинге «Вертолёты России») для изготовления деталей несущих систем.

Источники

• Технология литейного производства / под ред. А. М. Дальского. — М.: Машиностроение, 2005.
• Специальные способы литья / В. А. Ефимов, А. С. Эльдарханов. — М.: Металлургия, 1991.
• Литьё алюминиевых сплавов с газовой поддержкой / И. И. Новиков, В. С. Золоторевский. — М.: МИСиС, 2003.
• ГОСТ 26645-85 «Отливки из металлов и сплавов. Допуски размеров, массы и припуски на механическую обработку».
• Патент РФ № 2173615 «Способ литья с газовой поддержкой» (2001).