Изложница

Когда говорят об изложнице, многие сразу представляют себе просто железную коробку, куда заливают металл. Это, конечно, грубое упрощение. На деле, это целая система, от которой зависит не только геометрия отливки, но и её внутренняя структура, наличие раковин, усадочных дефектов. Моё понимание пришло с годами, особенно после работы с крупногабаритными поковками, где подготовка изложницы — это половина успеха или причина дорогостоящего брака.

Материал и его капризы

Раньше думал, что для изложницы годится любой жаропрочный чугун или сталь. Ошибался. Для массового литья чугуна — да, часто хватает и серого чугуна с пластинчатым графитом. Но как только переходишь на легированные стали, особенно для ответственных деталей вроде валов или валков, тут уже нужна стальная изложница. И не просто сталь, а часто с повышенным содержанием хрома и никеля для стойкости к термоциклированию.

Был случай на одном из старых производств: лили футеровку для мельниц из высокомарганцовистой стали. Использовали старую чугунную изложницу. Результат — постоянные трещины на отливках в одних и тех же местах. Долго искали причину в технологии плавки, а оказалось, что чугун не успевал отводить тепло с нужной скоростью, создавались локальные напряжения. Перешли на медные водоохлаждаемые вставки в критических зонах — проблема ушла. Вот вам и ?просто форма?.

Сейчас, глядя на оборудование, например, на нашем предприятии ООО Цзиюань Юйбэй, где есть направление электрошлакового переплава (ЭШП), вопрос материала изложницы стоит ещё острее. Для получения слитка методом ЭШП изложница (кристаллизатор) — это, по сути, основа всего процесса. Её внутренняя поверхность, система охлаждения, конусность — всё это напрямую влияет на качество металла, его плотность, отсутствие осевой рыхлости. На нашем сайте указано, что у нас есть электропечь для ЭШП — так вот, под неё изложницы проектируются и изготавливаются с особой тщательностью, это не расходник, а технологическая оснастка.

Конструкция: где прячутся проблемы

Конструкция — это не только наружные размеры. Это расчёт усадки, разработка литниковой системы, расположение прибылей, конусность стенок для извлечения отливки. Частая ошибка новичков — сделать стенки параллельными. Казалось бы, логично? Но как потом отливку выбивать? Приходится ломать изложницу, или долго мучиться с выпрессовкой.

У нас при освоении поковок для тяжелого машиностроения была история с крупной штамповой оснасткой. Её тоже, по сути, отливали в песчано-глинистые формы, но модель делали по контурам будущей штамповки. Так вот, там забыли заложить технологические уклоны на одной из сложных поверхностей. В итоге при выемке оснастку чуть не разорвало, появились задиры. Пришлось резать газом. Потеря времени и денег. Теперь всегда заставляю чертёжников и технологов сверять каждый угол, каждый переход.

Ещё один нюанс — разъём. Горизонтальный, вертикальный, сложный? Зависит от конфигурации отливки. Для простых колец или втулок часто хватает вертикальной разъёмной изложницы. Но для тех же корпусов насосов или турбинных лопаток нужен сложный разъём, иногда с песчаными стержнями. Это уже высший пилотаж, тут и формовочные смеси надо подбирать, и знание поведения металла в узких полостях обязательно.

Термический режим и его последствия

Температура изложницы перед заливкой — это отдельная песня. Холодную заливать нельзя — металл ?застывает? раньше, чем заполнит все полости, плюс высокий риск отбела в чугуне. Перегретую тоже плохо — увеличивается время цикла, снижается стойкость самой формы, может произойти её разгар или даже проплавление в тонких местах.

На практике вывел для себя эмпирическое правило для наших стальных отливок среднего размера: температура стенки изложницы в момент заливки должна быть в районе 80-120°C. Кажется, мелочь? Но если не контролировать, особенно в цеху зимой, брак по недоливам и холодным спаям обеспечен. У нас в цеху отжига и термички стоят печи, так иногда, если график позволяет, подогреваем крупные изложницы прямо там, перед отправкой на участок литья.

А вот для кокильного литья цветных сплавов — там свои температуры, обычно выше. И тут важно не только греть, но и охлаждать в процессе. Иногда приходится организовывать принудительное обдувание воздухом отдельных зон, чтобы выровнять скорость кристаллизации и избежать внутренних напряжений. Это уже ближе к искусству, чем к ремеслу.

Стойкость и экономика процесса

Сколько циклов выдержит изложница? Вопрос на миллион. Всё упирается в материал, режимы работы, аккуратность персонала. Чугунная для литья чугуна может служить и сотни циклов, если не перегревать и аккуратно очищать от остатков формовочной смеси. Стальная для ответственных стальных отливок — меньше, она быстрее ?устаёт?, в её стенках накапливаются термические напряжения.

Был у нас опыт с изготовлением изложниц для серийного литья одной детали ходовой части. Сначала заказали у сторонней фирмы, сделали из недорогой углеродистой стали. Через 30 заливок пошли трещины в углах. Пересчитали, оказалось, что с учётом стоимости изготовления новой, ремонта старой и простоев, выгоднее было сразу сделать из легированной 30ХГСА, хоть она и в полтора раза дороже. Стойкость выросла до 150+ циклов. Экономика — вещь жесткая.

На нашем производстве, как указано в описании, годовой объём поковок 5000 тонн. Это означает постоянную загрузку и гидравлического пресса, и литейных мощностей. Поэтому вопросы стойкости технологической оснастки, к которой относятся и изложницы, для нас критичны. Простой из-за поломки формы — это прямые убытки. Поэтому мы стараемся вести журналы учёта циклов для каждой ответственной оснастки, планировать её ревизию и ремонт заранее.

Современные тренды и старые истины

Сейчас много говорят про 3D-печать песчаных форм. Это, безусловно, прорыв для штучных сложных отливок. Но для серии? Пока дорого. Традиционная металлическая изложница никуда не денется. Другое дело, что её проектирование всё больше уходит в цифру: симуляция заливки, расчёт тепловых полей, прогнозирование усадочных раковин. Это здорово экономит время на ?метод тыка?.

Но никакая симуляция не заменит глаз и опыт мастера. Помню, как старый формовщик, глядя на только что извлечённую отливку, мог сказать: ?Здесь прибыль маловата, будет раковина? или ?Стенку тут надо утолстить на 5 мм, иначе поведёт при охлаждении?. Эти эмпирические знания, накопленные за десятилетия, бесценны. Их нужно не отвергать, а сочетать с цифровыми инструментами.

В итоге, возвращаясь к началу. Изложница — это не пассивный предмет. Это активный участник процесса, который диктует свои условия, требует понимания и уважения. Будь то для получения слитка на ЭШП для последующей ковки на нашем 30-тонном прессе, или для финальной отливки корпусной детали — подход к её созданию и эксплуатации должен быть системным, учитывающим металлургию, теплофизику и суровую производственную экономику. Пренебрежение деталями здесь всегда дорого обходится.