В 1975 г. лаборатория литья отдела металлургии ВНИИювелирпрома закончила работу по теме «Исследование влияния технологических факторов на чистоту поверхности и качество отливок при точном литье из сплавов золота». Названная тема и другие работы лаборатории показали, что основные источники брака обусловлены:

— неисправностью оборудования и применением некондиционных материалов,

— нарушениями технологии,

— конструктивными особенностями изделий.

Первые две причины приводят к таким видам брака, как непрочность, облой, фактурная поверхность и т. п. Возможности устранения этих причин, требующих проведения организационных мероприятий, не рассматриваются в настоящей работе.

Конструктивные особенности изделий могут приводить к образованию недоливов и усадочной пористости. Для сни¬жения уровня этих видов брака, по-видимому, необходима корректировка формы отливки и подбор оптимальной температуры литья. Работа по оптимизации формы отливки и режимов литья для каждой модели достаточно трудоемка и сопряжена с существенными материальными затратами и потерями драгоценных металлов. Кроме того, соблюдение множества индивидуальных технологических режимов в производственных условиях практически невыполнимо.

Для реального решения проблемы необходимо было найти универсальные и объективные критерии, отражающие технологичность изделий и позволяющие объединить большое количество разнообразных отливок в ограниченное число технологических групп.

Существующая классификация делит ювелирные изделия на следующие группы:

— по назначению (серьги, кольца, запонки и пр.),

— по исходным материалам (золотые, серебряные),

- по декоративным особенностям (со вставками, с филигранью и т. п.).

Известна попытка подразделить изделия на так называемые группы сложности с целью градации цен [1], где за основу взята величина трудозатрат, при этом предполагается, что она пропорциональна сложности изделия. Однако такой тип классификации не позволяет установить объективных критериев оценки изделий, поскольку в значительной мере определяется организацией производства на том или ином предприятии. По такой классификации при усовершенствовании оборудования и технологии изделия неизменно будут переходить из одной группы в другую.

Деление изделий на группы было предпринято и в [2], где ставилась задача лимитирования потерь и отходов драгоценных металлов. Отливки относили к той или иной группе в зависимости от сложности конфигурации, которую определяли визуально. Но такой метод предопределяет субъективность оценок, а кроме того, не предусматривает перспективу классификации принципиально новых моделей.

Таким образом, все эти попытки классификации изделий базировались либо на субъективных оценках, либо на переменных факторах. Назначение классификации не связывалось с качеством конкретных изделий, т. е. оптимизацией технологии.

В настоящей работе для оценки конфигурационной сложности была выбрана величина удельной поверхности, определяемая как площадь поверхности изделия, приходящаяся на 1 г массы изделия. Такая величина является объективной и универсальной и действительно может характеризовать технологичность отливок, поскольку определяется двумя параметрами: величиной поверхности и массой изделия. Общее количество тепла, которое несет с собой расплав, пропорционально массе изделия (при прочих равных условиях), а потери тепла при охлаждении пропорциональны поверхности изделия. На этом основании можно было предположить, что изделие с более развитой поверхностью будет охлаждаться интенсивнее и для его литья потребуется более высокая температура, т. е. оптимальная температура литья более сложных изделий могла оказаться выше, чем простых.

При анализе формы отливок определяли кроме удельной поверхности также расход расплава через контрольные сечения отливок. Последнюю величину вычисляли на единицу сечения канала, перпендикулярно направлению потока. Учитывая нестационарность процесса, расход расплава определяли не на единицу времени, а на весь период литья. Данные, полученные в результате анализа форм отливок ювелирных изделий, были учтены при разработке методики экспериментальных работ.

Экспериментальное литье проводили на установке центробежного литья НSL-1,5 в керамические формы, нагретые до 600^°С. Температура сплава ЗлСрМ 583-80 при литье состав¬ляла 1050, 1100, 1150, 1200^°С. Заполнение объема отливки определяли по массе эталона-спирали с различными размерами поперечных сечений. Характеристики спиралей приведены в табл. 1.

Таблица 1

Характеристики эталонов-спиралей

. Габаритные размеры их соответствовали аналогичным размерам ювелирных изделий. Условия кристаллизации оценивались дополнительно по микрошлифам осевых сечений эталонов-конусов. Длина конуса — 25 мм, диаметр основания — 7 мм. Питатель диаметром 2 мм подводили со стороны вершины конуса.

Полученные результаты приведены в табл. 2 и 3.

Таблица 3

Наличие пористости на отливках

Данные, характеризующие заполнение объема отливки при различных температурных условиях литья, свидетельствуют о получении довольно неожиданного результата. Оказалось, что изменение температуры в диапазоне 1050 - 1200^°С практически не оказывает влияния на заполнение формы. По-видимому, в случае, когда перегрев расплава над ликвидусом достигает таких высоких значений — 200 - 350^° С, жидкотекучесть приближается к максимальной и зависимость жидкотекучести от температуры расплава при технологических испытаниях не выявляется.

Этот вывод справедлив для отливок любой сложности, выбранных для экспериментальной проверки. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что основным фактором, определяющим массу полученной отливки, является сечение питателя. Следует отметить, что любое сечение отливки можно рассматривать как питатель для последующей части изделия. При питателе, сечение которого — 2,0 мм и выше, может быть обеспечено питание отливки массой до 15 г, что практически вдвое превосходит показатель для отливок ювелирных изделий. При диаметре питателя менее 2,0 мм расход расплава снижается тем сильнее, чем выше сложность изделий. Однако заполнение отливки массой 8 г достигается при диаметре питателя 1,6 мм, что значительно меньше, чем диаметр практически применяемых питателей. А отсюда следует, что брак по недоливам, имеющий место на предприятиях отрасли, обусловлен не низкой жидкотекучестью расплава, а иными причинами и не может быть ликвидирован путем повышения температуры процесса.

Результаты оценки плотности металла отливок при различных температурных условиях литья показывают, что с повышением температуры литья количество пористых отливок резко возрастает. Действительно, если при температуре расплава 1050^° С 60% конусов не имеют пористости, то при 1200^° С конусов без пористости не обнаружено, а 70% конусов характеризуются особенно грубыми усадочными раковинами.

Итак, результаты работы позволяют сделать следующие выводы:

1. Повышение температуры расплава при литье от 1050 до 1200^°С не оказывает влияния на заполнение объема отливки.

2. Повышение температуры расплава при литье типа НSL-1,5 при единых технологических режимах приводит к резкому увеличению усадочной пористости на отливках.

3. Фактором, определяющим заполнение отливки, является величина сечения, перпендикулярного направлению потока расплава.

4. Изделия любой сложности можно отливать на установке типа НSL-1,5 при единых технологических режимах.

Изучалось влияние температурных режимов литья в формы из отечественной формовочной массы ДГА применительно к трем весовым группам в зависимости от массы заливаемого сплава ЗлСрМ 583-80,г:

I — 600 (кольца-печатки);

II — 300-360 (кольца шифров ЛЗК-03039 и ЛЗК-03045);

III — 180 - 240 (ушки, касты и пр.).

Формы из массы ДГА изготовляли по соответствующей инструкции [2].

Кроме моделей выбранных отливок на каждый экспериментальный блок, на одинаковой высоте от литьевых чаш напаивали по четыре модели «микрогагаринских» образцов для измерения механических свойств на разрывной машине Р-05 и чистоты поверхности на профилометре-профилографе ПП 201. Обработку профилограмм производили по формуле

где Н_ск — среднеквадратическое отклонение выступа (впадины) от средней линии профилограммы, мкм;

H_i — измеренная высота выступа или глубина впадины: (от средней линии профилограммы), мкм;

n — количество выступов и впадин, которое, по соображениям точности, должно быть не менее 50.

Из наиболее характерных «микрогагаринских» образцов изготовляли микрошлифы, на которых подсчитывали количество неметаллических твердых и газовых включений.

Замеры температур внутри форм и прокалочных печей показали, что первые отличаются от вторых не более чем на 20°С при условии «одноярусной» загрузки и выдержке при заданной температуре не менее 0,5 часа. Это позволило отказаться от замеров температуры непосредственно в форме и значительно снизило трудоемкость эксперимента. Корректировку показаний электронных потенциометров плавильно-центробежных установок HLS-1,5 производили с помощью тарированной термопары и прибора УПИП-60 после каждой очередной смены тиглей и контактов так, чтобы погрешность определения температуры заливки не превышала ±30° С.

Подготовку шихты и флюсов, операции плавки и центробежной заливки форм производили по заводской технологии.

Блоки отливок c образцами выбивались из опок после охлаждения на воздухе, очищались в плавиковой кислоте, осветлялись в 10%-ном растворе азотной кислоты при t = 70-80°С и подвергались электрохимической полировке, чтобы снять с их поверхности обогащенный слой.

По результатам предварительных испытаний в лабораторных условиях ВНИИювелирпрома и на ЛПО «Русские самоцветы» были выбраны следующие значения температур форм и заливаемого металла, °С:

t_ф — 500, 600,700;

t_з.м — 1000, 1100, 1200.

Существенным недостатком выбранных колец II группы оказалось наличие тепловых узлов в утолщениях их шинок вблизи крапановых гнезд (по сравнению с тонкими сечениями литников) [3]. Для того, чтобы исключить преждевременное затвердевание металла в литниках, нарушающего нормальное питание тепловых узлов, t_ф = 500° С для этой группы колец не использовали.

Опыт центробежного литья массивных изделий на ЛПО «Русские самоцветы» в формы на гипсовом связующем, включая и импортные смеси, выявил склонность к образованию на отливках «облоя» и «бахромы» при повышении температуры заливки до 1200°С. Это, по-видимому, происходит за счет локального прорыва расплавом (под действием центробежных сил) горячей непрочной тонкой корочки затвердевшего металла и «расклинивания» им материала формы. С учетом данного обстоятельства t_з.м = 1200^oС для отливок I группы не использовалась.

Результаты исследования приведены в таблице. Их анализ показал:

1. Наименьший литейный брак (не более 5,2%) наблюдается в отливках I группы, наибольший (до 100%) — в отливках II группы.

2. Отсутствует четкая зависимость процента брака от температуры режимов в массивных кольцах I группы. Сопоставление температурных режимов литья с величиной «облоя», повышающего трудоемкость механической обработки этих колец, показало, что с увеличением температуры формы до 700° С при температуре заливаемого металла 1100° С такой брак, как «облой», составляет в отливках более 50%.

3. В отливках II группы наименьшее количество брака (не более 15%) наблюдается при t_ф = 700^oС и t_з.м = 1000 -1100°С; наибольшее (до 100%) при t_ф = 600°С и t_з.м = 1000°С.

4. В мелких отливках III группы наименьшее количество бракованных деталей наблюдается при t_ф = 700°С и t_з.м =1100°С.

5. Четкой зависимости между уровнем брака и механическими свойствами отливок всех групп не установлено.

6. Чистота поверхности литых образцов находится в пределах, предусмотренных ГОСТ 2789 — 59 (6—7 класс точности).

Осмотр под микроскопом выявил три разновидности изломов:

1. Хрупкий — сильно рыхлая «ноздреватая» поверхность со сложным рельефом.

2. Полухрупкий — менее рыхлая поверхность с отдельными ровными площадками, перемежающимися со сложным рельефом.

3. Пластичный — гладкая поверхность, составляющая с осью образца угол ~ 45°.

Сопоставление видов изломов с соответствующими температурами форм и заливаемого металла (см. табл.) показало, что хрупкие изломы соответствуют высокой и низкой температурам форм (соответственно — 700 и 500°С), пластичные изломы — t_ф = 600°С, а средние одинаково часто появляются при всех трех выбранных значениях температур формы и заливаемого металла.

На рис. 1 a—в представлены микрошлифы поверхностей излома образцов I и II групп, показывающие характер и количество включений в зависимости от температуры формы при постоянной температуре заливаемого металла t_з.м = 1100° С. Наименьшее количество включений наблюдается на микрошлифе образца, отлитого при t_ф = 600°С, что соответствует характеру поверхности пластичного излома (см. рис. 1, б).

Большое количество мелких газовых раковин на микрошлифе образца, отлитого при t_ф = 700° С, соответствует полухрупкому характеру излома (см. рис. 1, в). Такому же виду соответствует наличие твердых неметаллических включений на микрошлифе образца, отлитого при t_ф = 500°С (см. рис. 1, а).

Таким образом, повышенная хрупкость отливок появляется как при пониженной, так и при повышенной температурах формы. При этом в первом случае причиной повышения хрупкости служат твердые неметаллические включения, а во втором — газовая пористость. Исходя из этого, наиболее оптимальные для отливок II и III групп — t_ф = 700° С и t_з.м = 1000-1100° С.

По результатам разбраковки (см. табл.) наиболее оптимальными для отливок II и III групп — t_ф = 700°С и t_з.м = 1000-1100°С.