Процесс литья по выплавляемым моделям (ЛВМ) основан на применении одноразовой модели, покрываемой огнеупорным керамическим слоем, который после удаления модели путем выжигания или растворения формирует неразъемную литейную форму.
Модели изготавливаются методом заливки или запрессовки в металлические пресс-формы с использованием легкоплавких или растворимых модельных составов. Пресс-формы могут быть как одно-, так и многоместными. Индивидуальные модели, полученные в одноместных формах, соединяются с моделями литниковой системы, выполненными из того же материала, посредством электрической пайки. В случае многоместных форм изготавливаются модельные элементы, которые затем монтируются на металлический стержень-каркас. Финальный элемент конструкции — колпачок, надеваемый на каркас, — закрепляет собранные модели. Полученная конструкция из моделей отливок и литниковой системы называется модельным блоком.
Следующим этапом является нанесение на модельный блок огнеупорной суспензии, состоящей из огнеупорного наполнителя и связующего на основе этилсиликата. Соотношение связующего и кварцевой крошки подбирается для первого (облицовочного) и последующих слоев, а контролируется по вязкости. Суспензия наносится на модельный блок путем окунания, образуя тонкий слой. После этого блок с суспензией обсыпается сухим огнеупорным материалом и подвергается сушке, которая может проходить как в естественных условиях, так и в специальных камерах.
Процесс нанесения суспензии, обсыпки и сушки повторяется для достижения необходимой толщины керамической оболочки, обычно в 4-6 слоев. После формирования оболочки модель удаляется выжиганием или растворением. Оболочка, пропитанная остатками модельного состава и водой, прокаливается при температуре 900-1000 °C для устранения газообразующих примесей. После прокалки в горячие формы заливается расплавленный металл.
В качестве связующего компонента используется гидролизованный раствор этилсиликата (ЭТС), обычно марки ЭТС-40 или ЭТС-32. Гидролиз этилсиликата, протекающий с образованием коллоидного раствора кремниевой кислоты, проводится в присутствии органических растворителей (спирт, ацетон) и катализатора (соляная кислота) при интенсивном перемешивании и охлаждении. Однофазный способ приготовления связующего включает смешивание растворителя, воды и кислоты с последующим постепенным добавлением ЭТС. Совмещенный способ объединяет гидролиз с процессом приготовления суспензии, добавляя кварц перед введением подкисленной воды.
Преимущества метода ЛВМ включают: высокую точность размеров и чистоту поверхности отливок из любых сплавов, возможность изготовления деталей сложной формы с тонкими стенками, высокую плотность металла за счет медленного затвердевания, отсутствие газовых раковин и снижение затрат на механическую обработку, особенно для труднообрабатываемых сплавов.
Основные дефекты при ЛВМ могут возникать на этапах изготовления и монтажа моделей, формирования формы, а также при плавке и заливке металла, что требует строгого соблюдения технологических параметров на всех стадиях процесса.
В процессе дальнейшей технологической обработки, после заливки металла и его затвердевания, проводится термическая обработка отливок. Ее назначение зависит от типа сплава и требуемых механических свойств. Это может быть отжиг, нормализация, закалка или старение. Термообработка позволяет снять внутренние напряжения, возникшие при затвердевании, улучшить структуру металла и оптимизировать его физико-механические характеристики. После термической обработки следует этап механической обработки, который включает удаление прибылей, выравнивание заливов литниковой системы и, при необходимости, чистовую механическую обработку для достижения требуемых допусков по размерам и качества поверхности.
Применение метода ЛВМ особенно целесообразно при производстве мелких и средних деталей, таких как турбинные лопатки, корпусные детали авиационных двигателей, стоматологические инструменты, ювелирные изделия и компоненты сложной геометрии, которые трудно или невозможно изготовить другими способами. Высокая воспроизводимость размеров от партии к партии, достигаемая благодаря точности изготовления пресс-форм и стабильности процесса, делает ЛВМ идеальным выбором для серийного производства ответственных деталей.
Ключевым аспектом успешного применения ЛВМ является тщательный подбор модельных составов и огнеупорных материалов. От качества модельного состава зависит детализация формы и отсутствие усадочных явлений. Огнеупорная суспензия должна обладать хорошей текучестью для равномерного покрытия модели, а также достаточной прочностью после сушки и прокалки для выдерживания давления расплавленного металла. Состав связующего, в частности, процентное содержание гидролизованного этилсиликата и соотношение с растворителем, напрямую влияет на прочность керамической оболочки.
Контроль качества на всех этапах процесса ЛВМ является неотъемлемой частью производства. Начиная с проверки пресс-форм на соответствие чертежам и заканчивая контролем микроструктуры и механических свойств готовых отливок, каждый этап требует внимательного мониторинга. Визуальный контроль, ультразвуковая дефектоскопия, рентгенография и металлографические исследования применяются для выявления скрытых дефектов и обеспечения соответствия продукции требованиям стандартов.
Таким образом, процесс литья по выплавляемым моделям представляет собой высокотехнологичную методику, позволяющую получать отливки с превосходными эксплуатационными характеристиками. Его сложность компенсируется широкими возможностями по созданию изделий сложнейшей формы с высокой точностью и чистотой поверхности, что делает его незаменимым в ряде критически важных отраслей промышленности.
