Плавильно-литейные установки для изготовления художественных и ювелирных изделий

В ГОСТе 3.11.09.82 приведено следующее определение процесса литья: «Литье — изготовление заготовок и изделий из жидкого материала, заполнение полости заданных форм и размеров с последующим затвердеванием». Литье металла — это многооперационный процесс, включающий изготовление модели, литейной формы, плавку и заливку расплава металла, и заполнение им литейной формы, охлаждение готового продукта, его распаковку и очистку.
С 3 по 9 сентября 2002 г. в Москве состоялась очередная Международная выставка «Ювелир-2002». На ней, помимо ювелирных изделий, были представлены различные технологии, оборудование, комплектующие и расходные материалы для производства ювелирного и художественного литья. Ювелирное и ювелирно-художественное литье имеет ряд специфических особенностей, связанных с изготовлением широкой номенклатуры изделий, как малого, так и среднего размера, что обусловливает использование широкого диапазона типоразмеров форм и массы расплава.
В настоящее время существует большое количество плавильно-литейных установок, различающихся как по конструкции, так и по качеству получаемых отливок, многие из которых были представлены на прошедшей выставке. Классификация конструктивных особенностей установок приведена в табл. 1. Центробежные плавильно-литейные установки позволяют получать широкую гамму изделий, в том числе самого высокого качества. Наибольшее распространение получили центробежные установки с вертикальной осью вращения центрального вала. Ось опоки горизонтальна, ось тигля наклонена по отношению к оси центрального вала на угол 6-7 градусов (то есть почти вертикальна) для лучшего истечения расплава из тигля. Нагрев, как правило, индукционный (хотя в небольших установках иногда используют и резисторный нагрев). При заливке формы относительное положение тигля и опоки не изменяется. Оси опоки и противовеса совпадают.

Принцип действия этих установок заключается в следующем: при вращении сосуда с жидкостью, например с расплавом металла, поверхность жидкости принимает форму парабалоида вращения (рис.1). При этом на стенку сосуда, кроме металлостатического давления, начинает действовать центробежное давление, значение которого зависит от частоты вращения ω и расстояния от оси вращения до стенки сосуда R:

р_цб= γ (ω²R²/ 2g + Н₀),

где ω — угловая скорость вращения, с^-1; R — расстояние от оси вращения до стенки сосуда, м; γ — плотность расплава, кг/м³; Н₀— металлостатический напор, м.

Для получения качественной отливки в процессе заливки и кристаллизации необходимо преодолеть сопротивление течению расплава в ходах литниковой системы и полости литейной формы, поверхностное натяжение металлического расплава, а также сопротивление течению расплава между растущими кристаллами сплава. Эти параметры особенно важны для тонкостенных отливок малой массы, таких, как небольшие ажурные серьги и кулоны.

Схема работы установки приведена на рисунках 2 и 3,а, классификация установок представлена в табл. 2. На центральном валу закреплено коромысло 3, с одной стороны которого, в специальных направляющих 4, расположена опока 6 и тигель 5 с расплавом металла. Опока при вращении опирается на опорную плиту 7.
С другой стороны коромысла находится устройство с регулируемым противовесом 2 на оси 7 для устранения дисбаланса. При вращении центрального вала на расплав действуют центробежная сила и угловое ускорение (рис.3, а). В результате равнодействующая сила (определяющая направление потока жидкого металла) направлена не вдоль оси опоки, а в сторону, что приводит к неравномерному заполнению литейной формы металлическим расплавом.

Подобного типа центробежными установками оснащены многие как государственные, так и частные производства. Большое количество фирм до настоящего времени выпускают эти установки. Среди них наиболее автоматизированной является УЛП-1.0 «Аверон» (Россия, Екатеринбург) на семи микропроцессорах. Высокую степень автоматизации при высокой надежности имеют установки, изготовленные фирмами ASEG GALLONI, MANFREDI, BEGO, YASUI, JELENCO Eagle и др.
Анализ рис. 3, а, б показывает, что равнодействующую силу, влияющую на поток расплава во время заливки, легко направить вдоль оси опоки, обеспечивая тем самым равномерное заполнение полости формы металлическим расплавом. Для этого необходимо либо развернуть на коромысле опоку и противовес перед началом плавки и заливки (рис. 4, а, б), либо сместить оси опоки и противовеса (но оставив их коллинеарными, то есть параллельными) — рис. 5. Именно эти решения используют в современных центробежных плавильно-литейных установках, таких, как FUSUS NEW от ASEG GALLONI, VCC от YASUI и ряде других.

Некоторые фирмы продолжают выпускать установки с горизонтальной осью вращения (рис 6). Установка содержит два индуктора, которые подключены к одному генератору (источнику тока), что позволяет осуществлять плавку двух различных литейных сплавов, не проводя перебивку тигля. Стойкость тигля достигает 600-800 плавок хромокобальтовых или коррозионно-стойких сталей.
В зависимости от химической активности материала отливки плавки проводят либо в атмосфере воздуха (хотя это не рекомендуется), например, химически инертных металлов — золота, серебра, а также сплавов с платиной, палладием, родием, медно-никелевых сплавов и других, либо в вакууме (0,01 < р_ост < 100 Па).
В последнем случае внутреннюю полость установки с коромыслом, тиглем и противовесом необходимо вакуумировать, хотя это достаточно большие объемы (30-60 л). Обычно у центробежных плавильно-литейных установок верхняя крышка имеет площадь 700-1200 см², и при указанном разрежении на нее действует сила 700-1200 кт (7-12 кН), что требует достаточной жесткости и, следовательно, массивности.
Фирма ASEG GALLONI в модели OKAY VAC предложила вакуумировать лишь небольшую внутреннюю часть установки с тиглем и опокой (рис. 7), то есть вакуумная часть смонтирована на центробежном рычаге. Однако на этой установке можно плавить только малые объемы металла.

Вакуумные центробежные установки позволяют плавить любые типы сплавов, включая платину, но для них требуется вакуумный насос и надежные вакуумные уплотнения. Часто для устранения окисления расплава и уменьшения его газонасыщенности используют инертный газ, обычно аргон, делая 3-5 промежуточных промывок рабочего пространства литейной установки. Обязательным условием является применение высокочистого аргона, его необходимо осушать перед использованием и удалять следы кислорода (что относится ко всем методам плавки в среде инертного газа). Именно поэтому центробежные установки для плавки в вакууме и в среде инертного газа распространены примерно одинаково. Однако следует учитывать, что если закончился инертный газ, то нужно заправлять баллон (что требует времени), а вакуумная установка входит в комплект поставки, но если рассматривать начальную стоимость при покупке, то литейная установка с вакуумным насосом стоит дороже. Центробежные установки имеют большое количество подвижных частей, склонность к выплеску металла в процессе заливки, большую трудоемкость в обслуживании. В результате ее обслуживание становится дороже. Однако в них можно плавить любые типы сплавов, включая высокотемпературные сплавы платины и палладия. Такие установки выпускают, как с ручным управлением (РФ, Волгодонск, «Центролит-20», «Центролит-50» — стоимость ~ 6 тыс. дол. США), так и полностью автоматизированными (ASEG GALLONI — OKAY VAC — стоимость ~ 56 тыс. дол. США, JELENCO Eagle).

Многие центробежные плавильно-литейные установки комплектуют грануляторами (установками для получения шихты в форме гранул из возврата, лома и других кусков металла неправильной формы). Чаще всего гранулятор выполняют в виде дополнительного модуля (рис. 8), оснащенного собственным индуктором, работающим от основного генератора. Температура замеряется и управляется с помощью оптических или контактных пирометров.
При заливке формы расплавом центробежное ускорение достигает значения до 35±5 g, где g — ускорение свободного падения. Это означает, что при заливке каждый грамм сплава увеличивает вес в 30-40 раз, что обеспечивает качественное заполнение тонких сечений внутренних полостей литейной формы и получение плотных отливок.
Большую конкуренцию центробежным установкам составляют стопорные установки. Принцип их действия заключается в следующем. Металл плавится в тигле с донным отверстием, перекрытым стопором (рис. 9). Снизу к тиглю подводится, а часто через прокладки и прижимается, литейная форма. При расплавлении сплава и достижения температуры заливки стопор поднимается, и металл через отверстие стекает в форму. Как правило, контактную термопару помещают в нижнюю часть стопора, в ряде случаев дополнительные термопары устанавливают и вокруг тигля. Если форма поджата к тиглю, то выплеск металла при заливке исключается. Кроме того, для исключения окисления металла и насыщения его газами, плавку и заливку ведут в среде инертного газа, чаще всего — аргона. С целью улучшения проливаемое тонких сечений внутренних полостей литейной формы на зеркало металла подают избыточное давление инертного газа (0,2-0,3 МПа), а литейную форму вакуумируют (см. рис. 9). Для этого стенки формы делают перфорированными. Для повышения стойкости уплотнительных соединений (шток при плавке нагревается до высоких температур) привод штока помещают не снаружи, а внутри камеры. Для расплавления шихты, как правило, используют индукционный метод плавки. Стойкость тигля при этом методе плавки и заливки достигает 100±50 плавок, а стопора — до 150 плавок. Производителями этих стопорных плавильно-литейных установок являются фирмы SCHULTHEISS, INDUTHERM, NEUTEC и др. Однако наибольший интерес представляет установка VPC К2 фирмы YASUI, у которой отличаются формы сопла (отверстия в донной части тигля) и нижней части стопора (рис. 10).

Другая отличительная особенность — использование двух инертных газов: гелия и аргона. В процессе плавки внутреннее (рабочее) пространство установки продувают гелием (рис. 11). Имея минимальный диаметр молекулы, гелий обладает максимальным коэффициентом диффузии. Форма, изготовленная на основе гипсодинасовой или фосфатной смеси, имеет малую газопроницаемость. Во время «промывки» литейной формы гелий вытесняет и замещает воздух в порах смеси. Во время заливки и вакуумирования формы гелий примерно в 10 раз быстрее экстрагируется из полости и пор литейной формы, обеспечивая тем самым более качественное ее заполнение расплавом металла. Большинство стопорных установок оснащают грануляторами (рис. 12). Благодаря конструктивным особенностям, гранулятор удобно располагать рядом с опокой, что позволяет при необходимости быстро заменить опоку на гранулятор.

Практически не имея подвижных частей, стопорные плавильно-литейные установки получают широкое распространение, так как являются простыми в обслуживании и эксплуатации. Используя такие установки, можно производить отливки из любых сплавов, включая платину, палладий и другие высокотемпературные сплавы. Стоимость стопорных установок составляет от 25 до 50 тыс. дол. США.

Перспективным для ювелирного и стоматологического литья являются установки вакуумно-дуговой плавки с последующей заливкой расплава металла по схеме «сверху давление — снизу вакуум», что характерно для стопорных установок. Подобные установки выпускают фирмы DENTAURUM (только для плавки титана) и DOR-A-MATIC (для литья титана, хромокобальтовых, хромокобальтмолибденовых, драгоценных металлов и сплавов). В связи с оригинальностью этого процесса, его следует рассмотреть подробнее.

Прежде всего, в этих установках отсутствует тигель в привычном понимании этого термина. В данном случае тигель представляет собой пластину толщиной 10 мм из чистой неокрашенной меди, в которой имеется лунка глубиной около 4 мм (рис. 13) для размещения титанового цилиндрического штабика массой 22, 31 и 36 г (DENTAURUM) или 26, 34 и 40 г (DOR-A-MATIC). Безусловно, после расплавления объем капли будет превышать объем лунки. При плавлении титана в среде аргона на его поверхности образуется оксид ТiO₂_тв (рутил), который препятствует смачиванию и сплавлению жидкого титана (t_пл = 1740°С) с медной подложкой (t_пл = 1083°С) и предохраняет от образования гарнисажа (кристаллической корочки титана на поверхности «тигля»). Дуга длиной 5 мм горит между нерасходуемым электродом (из вольфрама или молибдена) и штабиком из титана. Время плавки составляет от 32 с (при 22 г титана) до 49 с (при 36 г титана). После расплавления и соответствующего перегрева дуга отключается, «тигель» (платформа) поворачивается и «капля» через толстостенную (h = 4-5 мм) медную неокрашенную воронку стекает в литейную форму. В этот момент времени вокруг формы создается вакуум, а на зеркало металла, находящегося в литниковой чаше, подается избыточное давление 0,2-0,3 МПа (рис. 14). После распаковки (выбивки) формы на свободной поверхности литниковой чаши видны следы побежалости и кристаллическая структура (за счет высокотемпературного травления, рис. 15). Качество отливок — высокое. Установки экономичны, производительны. Стоимость установки составляет около 35 тыс. дол. США. Недостаток — невозможность использования лома, питателей, литников и другой шихты, а только штабиков заданных размеров.

Учитывая, что «каплю» титана удерживают силы поверхностного натяжения и пленка оксидов, при плавке хромокобальтовых, хромокобальтмолибденовых, драгоценных металлов совершенно необходимо использовать керамические вставки на медный «тигель» (то есть использовать тигли в обычном понимании этого термина), иначе расплав этих металлов сплавится с медным тиглем, а часть расплава стечет через край медного «тигля».
Установки DOR-A-MATIC более универсальны для пользователя, a DENTAURUM — более специализированы (только для литья титана) и автоматизированы.
Примеры отливок, изготовленных на установках различных типов и с разными методами нагрева, приведены ниже:

«Шарнир Гука». Бронза. Центробежная плавильно-литейная установка с резисторным нагревом. Зазор между сферами 0,4 мм, диаметр осей — 0,6 мм. Отливка получена подвижной без какой-либо механообработки (рис. 16);
Иконка «Святитель Николай». Серебро. Стопорная установка NEUTECJ-Z. Художественные мастерские Федорова (рис. 17);
«Стоматологическая коронка». Титан. Дуговая установка DOR-A-MATIC (рис. 18).

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

Литейные центробежные установки являются наиболее универсальными, как с точки зрения использования многономенклатурных сплавов, так и по управлению технологическим процессом заполнения литейной формы расплавом металла. Они обеспечивают большую плотность отливок и позволяют изготовлять протяженные тонкостенные отливки сложной конфигурации. Однако из-за большого количества подвижных соединений снижаются их относительная надежность и ремонтопригодность. Возможны выплески металлического расплава при заливке в литейную форму. Основные расходные материалы — тигель и, часто, кварцевый стакан при наличии графитового тигля (материал для изготовления отливок в данном случае не учитывается);
Стопорные установки надежны, просты в эксплуатации, не подвержены выплескам в процессе заливки. Позволяют изготовлять широкую номенклатуру изделий, различных как по массе и применяемым материалам, так и по сложности;
Вакуумно-дуговые установки нашли применение для изготовления стоматологических отливок, для ювелирного литья из драгоценных и титановых сплавов.

В.А.Васильев, Н.В.Васильев
Журнал «Литейщик России», №4, 2003 г.

Обсудить на форуме