Комплексное применение сыпучего песка в технологии литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) позволило проектировать отливку, как металлоконструкцию, которая создается в текущей песчаной среде и доступна для оптимизации по эволюционным алгоритмам природы. Также сыпучий песок позволяет удалить горячую отливку из литейной формы для различных методов ее термообработки, в частности, закалки путем псевдоожижения песка в форме с последующей изотермической выдержкой в горячем песке. Такие возможности сыпучего песка формы служат предпосылкой для производства легковесных отливок из высокопрочных сплавов и сплавов нового поколения как адаптивных материалов с регулируемыми свойствами.
До 38 % стоимости изделий мировой промышленности составляет продукция машиностроения, развитие которого связано с изготовлением литых металлозаготовок, повышением уровня их характеристик вместе со снижением металлоемкости, совершенствованием существующих и созданием новых сплавов или способов их обработки для расширения функциональных возможностей металлоконструкций. Особый интерес представляет разработка и производство пространственных отливок тонкостенной оболочковой [1] или (и) ячеистой конструкции, позволяющих снизить металлоемкость заготовок, а в целом, вес машин и механизмов, и повысить их ресурсоэффективность [2, 3]. Следует отметить, что практически все отливки трубопроводного арматуростроения относятся к сравнительно тонкостенным оболочковым конструкциям, у которых толщина тела не менее чем в 5-10 раз меньше габаритных размеров отливок [1, 4].
Для этого наиболее продуктивным является процесс литья по газифицируемым моделям (ЛГМ), разновидности которого совершенствует научная школа профессора Шинского О. И., включая изготовление литейных разовых моделей и литейной металлической оснастки методом 3D-технологий [4–6]. Раскрытию потенциала моделирования габаритных легковесных конструкций способствует исключительная легкость механической обработки применяемых для этого пенополистирола, других легкоплавких и легкорастворимых пенополимеров. Такие материалы выбирают для разовых моделей в соответствии с различным уровнем автоматизации их производства и условий литья металла, включая проектирование автоматизированных или роторно-конвейерных линий (РКЛ), серийности, массы и вида металла отливки от десятков или сотен граммов до нескольких тонн.
В процессе изготовления литейной песчаной формы в наиболее распространенном способе ЛГМ литейная модель формуется в контейнере с сухим песком и по технологической функции литейщиками рассматривается как разовая фасонная (нередко крупногабаритная) оснастка, взаимодействующая с двумя текучими средами – металлом, который заливается и замещает модель изнутри, и подвижной песчаной средой, которая обтекает модель извне при формовке, уплотняется и образует песчаную форму в контейнере. Такое понимание функционального взаимодействия модели с двумя текучими средами дало толчок проектированию новых легковесных литых металлоизделий, в том числе по аналогам конструкций, наблюдаемых в природе [7], и методами математического [3] и физического моделирования. При этом из пенополистирола несколькими отработанными способами можно изготовить или собрать из деталей практически любую конструкцию, даже трудно представить конструкцию, которую нельзя было бы изготовить.
В теории литейных процессов впервые на уровне проблемы в области оптимизации литых конструкций, исходя из особенности ЛГМ-процесса – взаимодействия модели с двумя текучими средами, встал вопрос, как твердотельные конструкции (моделей и отливок) могут оптимально разместиться в текущей среде, заполняя определенный объем пространства (литейного контейнера) с наименьшими затратами ресурсов. По сути, в живой или неживой природе отобраны эволюцией именно такие, наиболее ресурсоэффективные, заполняющие пространство конструкции, которые часто по своему строению отражают фрактальную, а не евклидову геометрию, соответствуют соотношению золотой пропорции и нередко имеют поверхности, которые определены в классической математике как минимальные (по площади).
Программы для работы технологических 3D-устройств сегодня также главным образом по эволюционным алгоритмам (аналогично положениям такой дисциплины, как бионика) конструируют с визуализацией на мониторах литые конструкции в основном тонкостенной и ячеистой структуры с оптимальной кривизной оболочек по критерию «минимальная масса – максимальная прочность», что снижает металлоемкость изделий и также приемлемо при моделировании для ЛГМ. Деталь «бионической» конструкции (рис. 1) была отлита в песчаной форме, изготовленной 3D-печатью на принтере Voxeljet [8].
Технология ЛГМ сегодня вполне успешно может конкурировать с 3D-печатью, позволяя изготавливать отливки равноценных характеристик в несколько раз или даже на порядок меньшей себестоимости. При ЛГМ давно отработано производство тонкостенных моделей на 3D-фрезерах (их еще называют станками с ЧПУ) [6], для питания расплавом металла тонких периферийных стенок отливки несложно изготовить пенополистирольные модели различных фасонных литниковых систем (благоприятных по гидравлике), а для засасывания в такие стенки металла применить вакуум формы (в герметичном контейнере) и (или) избыточное давление на металл, который заливается или уже залит.
Таким образом, ЛГМ-процесс позволяет использовать функциональное взаимодействие литейной модели с текучими средами при проектировании конструкции отливки для расширения эксплуатационных свойств отливки, что способствует созданию легковесных отливок оболочкового, каркасного или сотового строения по аналогам конструкций из органической или неорганической природы и программными способами математического и физического моделирования [1-4]. Нами запатентовано больше десятка конструкций и способов сборки таких моделей для ЛГМ.
Кроме того, для получения в литых изделиях облегченной массы тонких стенок необходимо использование высокопрочных сплавов (с высокой способностью заполнять форму), в которых сегодня вместо создания новых чаще применяют технологию усовершенствования уже существующих сплавов, для управления их структурой и, соответственно, свойствами, в том числе с оптимизацией литых конструкций с помощью методов термического анализа [9]. В цикле таких работ нами исследовано влияние регулирования изменения скорости охлаждения отливок на их структуру вплоть до внедрения режимов термообработки [10] в процессы литья для создания таких микроструктур, которые соответствуют повышенным свойствам металла отливок. Разработан ряд способов производства отливок из стали, высокопрочного и серого чугунов для получения двухфазных или многофазных микро- и макро-неоднородных структур методами ступенчатого охлаждения из литого аустенитного состояния (изотермической закалкой и т. п.), которые значительно повышают механические и служебные свойства отливок, экономят легирующие элементы, энергозатраты и при необходимости одновременно позволяют улучшить обрабатываемость отливок резанием.
Сегодня в мире отливки из чугуна составляют около 70 % от общей массы литья, а из стали ~ 10 %, поэтому наиболее актуальным является совершенствование именно этого сегмента литейного производства. Кроме важной темы упрочнения металла и улучшения других его эксплуатационных свойств за счет соответствующего структурообразования, особенно перспективным является направление по созданию в изделиях из чугуна и стали многофазной структуры с метастабильным остаточным аустенитом, который испытывает при нагрузке на отливку динамическое деформационное мартенситное превращение и обеспечивает механизм упрочнения и адаптации материала отливки к внешним воздействиям.
Сплавы, образующие мартенсит деформации, относят к новому поколению адаптивных материалов с регулируемыми свойствами, так как они упрочняются при их эксплуатации (трип-эффект), самопроизвольно реагируя на внешние механические воздействия изменением собственной структуры и характеристик. На примерах из диссертации д. т. н. Волощенко С. М. при закалке отливок из высокопрочного чугуна с изотермической выдержкой в течение 1, 2 и 3 часов получено в структуре отливок соответственно 35, 31 и 27 % остаточного аустенита, а пластическая деформация отливки приводила к распаду примерно 1/5 от исходного количества остаточного аустенита с формированием мартенсита, упрочняющего деформируемый слой металла отливки. При этом продолжительность примененной изотермической закалки сопоставима с продолжительностью традиционного охлаждения отливки в песчаной форме. Тогда возникает вопрос, зачем затвердевшую отливку держать в форме, если за это время ее можно извлечь в горячем состоянии (красного цвета) из этой формы и охладить по режиму, в частности, изотермической закалки?
С целью получения изотермически закаленной отливки из чугуна или стали с образованием остаточного аустенита для достижения трип-эффекта нашим институтом получен ряд патентов Украины на способы литейного процесса, в котором выполняется соответствующее ступенчатое охлаждение отливок. В качестве базового для этого взят способ ЛГМ в вакуумированной форме из песка (без связующего компонента), сыпучесть которого после снятия вакуума позволяет выполнять быстрое выбивание из формы горячей отливки и ее ступенчатое охлаждение по методу изотермической закалки для получения, в частности, высокопрочного чугуна с бейнитной структурой и образованием остаточного аустенита. В варианте этого способа охлаждения изотермическую выдержку выполняют в нагретом песке, засыпая им отливку в том же контейнере, что и при формовке модели.
Такой ЛГМ-процесс со ступенчатым охлаждением отливки сочетает, кроме широко применяемой (1) достаточно быстрой формовки в сыпучем песке, такой резерв сыпучего формовочного песка, как (2) возможность легкого удаления (выбивания) горячей в аустенитном состоянии отливки из литейной формы для ее ступенчатого охлаждения с режимом закалки преимущественно в водной, газовой или (3) газо-дисперсной (песчаной) среде, с последующей изотермической выдержкой преимущественно в сыпучей нагретой среде, для чего разработаны способы (4) применения такого же сухого формовочного песка. Таким образом, в разработанных нами способах ЛГМ текучесть сыпучего формовочного песка как преимущество в различных технологических операциях применяют до четырех раз: для изготовления формы с пенополимерными моделями при достаточно непродолжительной формовке (с кратковременной вибрацией), быстрой выбивки из формы горячей отливки, ее охлаждения в псевдоожиженном песке и в качестве среды для изотермической выдержки отливки при ее изотермическом закалке.
Также создан способ ступенчатого охлаждения чугунной или стальной отливки с засыпанием ее нагретыми огнеупорными материалами – гранулированными проппантами повышенной «текучести», в т. ч. используя вибрацию или псевдоожижение этого сыпучего материала. Для удобства удаления из сыпучего песка формы мелких горячих отливок в контейнерную опоку при формовке помещают сетчатую (проволочную) металлическую корзину, в которой после затвердевания отливок их вынимают из песчаной формы и в этой корзине проводят ступенчатое охлаждение – изотермическую закалку, минуя перлитное превращение в металле для получения в нем требуемой многофазной структуры.
Для достижения в отливке при ступенчатом охлаждении определенного количества аустенита (парамагнитной фазы) разработан магнитный датчик (метод магнитной ферритометрии), подающий сигнал об окончании цикла ступенчатого охлаждения при распаде части аустенита до получения определенного количества феррита. А быстрое охлаждение отливки непосредственно в литейной контейнерной форме отработано методом псевдоожижения песка в этой форме, при этом для изотермической выдержки при ступенчатом охлаждении предусмотрена продувка песка нагретым газом (воздухом).
Для механизации и автоматизации ЛГМ-процесса со ступенчатым охлаждением отливок нами запатентованы конструкции литейного комплекса и РКЛ, а также способы литья оболочковых корпусов и легковесных решетчатых броне-преград, в обоих последних способах из металла с остаточным аустенитом в количестве, достаточном для создания трип-эффекта. Известно, что мартенсит деформации, упрочняя металл при импульсном разрушении, повышает эксплуатационные свойства как корпусов, так и преград. Существует подобная технология упрочнения металла взрывом, а в нашем случае упрочнение литой стенки происходит практически одновременно с ее импульсным разрушением.
Также с целью усовершенствования литья из высокопрочных сплавов нами запатентованы в 2019-2020 гг. способы производства высокопрочного чугуна [11], контроля жидкого и твердого металла, способы повышения качества путем ротационной обработки жидкого металла и фильтры для его очистки.
Итак, встроив изотермическую закалку в процесс ЛГМ – создав метод литья со ступенчатым охлаждением отливки, вместо того чтобы (при традиционных литейных процессах) отливку в это время охлаждать в песчаной форме, запатентован ряд способов литья изотермически закаленных чугунных и стальных конструкций не только повышенной прочности, но и с возможностью образования остаточного аустенита для осуществления упрочняющего трип-эффекта, чем созданы технологические основы производства отливок из металлических материалов, которые относят к классу адаптивных материалов с самопроизвольным регулированием свойств в соответствии с внешними воздействиями. При этом разработаны схемы планировок для переоборудования действующих цехов ЛГМ достаточно низко капиталоемкими установками и оснасткой для литейных комплексов, а также планировок РКЛ из автоматических роторных производственных модулей.
Литература
1. Дорошенко В. С. Проектирование моделей отливок как оболочковых конструкций с целью снижения их металлоемкости // Вестник арматуростроителя. – 2018. – № 4 (46). – С. 70-73.
2. Дорошенко В. С. Способы получения каркасных и ячеистых литых материалов и деталей по газифицируемым моделям // Литейное производство. – 2008. – № 9. – С. 28-32.
3. Дорошенко В. С. Математическое проектирование каркасно-ячеистых отливок // Литейное производство. – 2013. – № 2. – С. 9-12.
4. Дорошенко В. С. Получение металлических отливок трубопроводной арматуры по пенопластовым моделям // Вестник арматурщика. – 2013. – № 5. С. 120-123.
5. Дорошенко В. С. Трехмерная формовка из сыпучих материалов // Литейное производство. – 2013. – № 4. – С. 8-11.
6. Дорошенко В. С., Шинский И. О. 3D-технологии при литье по газифицируемым моделям // Металл и литье Украины. – 2009. – № 4, 5. – С. 30-33.
7. Дорошенко В. С. Примеры гармонизации с природой технических и декоративных отливок // Литейное производство. – 2016. – № 9. – С. 30-37.
8. Foundry corporate news. Производитель сельскохозяйственной техники Аmazone использует 3D-принтер от Voxeljet для оптимизации детали ходовой части. URL: https://www.foundry-planet.com/d/amazone-testsnew-production-processes-with-the-design-freedom-of3d-printing/
9. Дорошенко В. С., Кравченко Е. В. Новые способы отбора проб при идентификации свойств металла методом термоанализа, с возможностью оптимизации конструкций отливок // Литейное производство. – 2017. – № 2. – С. 28-33.
10. Дорошенко В. С. Предпосылки встраивания термообработки в процесс литья высокопрочного чугуна по газифицируемым моделям // Металл и литье Украины. – 2017. № 6, 7. – С. 10-16.
11. Дорошенко В. С. О новых способах ковшевого производства высокопрочного чугуна в небольших литейных цехах // Вестник арматуростроителя. – 2020. – № 62 (62). – С. 76-79.
