Точное литьё под давлением и вакуумом по гипсовым формам

Когда слышишь 'точное литьё под давлением и вакуумом по гипсовым формам', многие сразу представляют что-то вроде волшебства: залил сплав в форму — и вот она, идеальная тонкостенная деталь. На деле же, это скорее постоянный диалог с материалом, где гипсовая форма — не пассивная оболочка, а активный участник процесса. Основная ошибка новичков — недооценивать подготовку формы и режимы вакуумирования, думая, что вакуум сам всё исправит. На самом деле, он лишь помогает, но не отменяет фундаментальных законов кристаллизации.

Гипсовая форма: где кроется дьявол

Всё начинается с формы. Не любой гипс подходит, нужен специальный, с точно выверенной пористостью. Если поры слишком крупные — поверхность отливки будет как наждачка, если мелкие и недостаточные — газы от выгорающего модельного состава не успеют эвакуироваться, пойдут пузыри в теле детали. Я помню, как на одном из первых заказов для аэрокосмического сектора мы получили брак именно из-за экономии на материале для форм. Смесь купили подешевле, а в итоге — партия в утиль.

Здесь важно не только сырьё, но и сушка. Сушка должна быть медленной, равномерной, без перепадов температуры. Резкий нагрев — и в форме появляются микротрещины, невидимые глазу, но которые проявятся на отливке в виде 'молочных' подтёков или локальных утолщений. Часто проблема даже не в печи, а в том, как формы расставлены на стеллажах: где-то воздух циркулирует хуже, и там влага остаётся дольше.

И ещё момент — литниковая система. В гипсе её рассчитать сложнее, чем в металлической оснастке. Она должна обеспечить не просто заполнение, а направленное, ламинарное течение расплава под вакуумом, чтобы не было турбулентности, которая затягивает оксидные плёнки. Порой приходится делать несколько итераций, пилить пробные отливки, чтобы увидеть, как именно шёл металл.

Вакуум: не сила, а тонкость

Собственно, вакуумное литьё здесь — ключевой союзник, но не панацея. Вакуум нужен прежде всего для удаления воздуха из полости формы до заливки и для помощи в заполнении тонких сечений. Но если создать слишком глубокий вакуум рано, можно 'вытянуть' из гипса остаточную влагу, которая тут же превратится в пар и испортит всё. Тайминг критически важен.

На практике мы часто используем двухступенчатый режим. Сначала лёгкое разрежение для стабилизации формы, потом, непосредственно перед заливкой, — основная откачка. Давление, кстати, редко когда опускаем ниже 0.1 бара. Этого достаточно для большинства алюминиевых сплавов, например, А356 или АК7ч, с которыми много работаем. Более глубокий вакуум может привести к тому, что легколетучие компоненты сплава начнут буквально 'выкипать', изменяя химический состав на поверхности.

Один из показательных случаев был с изготовлением корпуса датчика для ООО Чэнду Йехуа наука и техника. Деталь была с очень тонкими рёбрами жёсткости, около 1.2 мм. Без вакуума они просто не заполнялись. Но когда включили откачку на полную с самого начала, получили дефект в виде холодных спаев в местах соединения рёбер с основной стенкой. Пришлось экспериментально подбирать момент включения максимального вакуума, уже в процессе заливки. Сейчас эта технология отработана и используется ими серийно, о чём можно подробнее узнать на их ресурсе https://www.cdyhkj.ru.

Давление: последействие, которое решает всё

А вот литьё под давлением в контексте гипсовых форм — это уже финальный аккорд. Речь не о том давлении, как в машинах литья под высоким давлением (die casting), а о дополнительном подпоре, часто инертным газом, после заполнения формы. Это нужно для компенсации усадки при кристаллизации, особенно в массивных узлах.

Гипсовая форма — хрупкая, поэтому давление должно быть дозированным, 'нежным'. Обычно это несколько бар. Здесь главная задача — подать давление в тот момент, когда уже образовалась внешняя корка, но сердцевина ещё жидкая. Слишком рано — выпрессуем расплав по литникам, слишком поздно — усадка уже произошла внутри, получим раковину.

Мы настраивали этот процесс для крышки топливного модуля. Без подпора в зоне утолщения под крепёж всегда была пористость. Методом проб, а иногда и ошибок, вышли на оптимальное: задержка в 7-9 секунд после заполнения, затем плавный рост давления до 4 бар. Дефект ушёл. Это та самая 'кухня', которую не найдёшь в учебниках, только в цеху.

Материал: алюминий и не только

Чаще всего, конечно, льём алюминиевые сплавы. Они хорошо сочетаются с гипсом. Но есть нюансы. Например, с тем же силумином АК7ч (аналог A356) — он отличный по жидкотекучести, но очень чувствителен к скорости охлаждения. В гипсе охлаждение медленнее, чем в металлической форме, поэтому структура получается более грубой. Иногда это допустимо, иногда — нет. Для ответственных деталей потом приходится проводить гомогенизирующий отжиг.

Пробовали работать и с латунью. Сложнее. Температура заливки выше, и гипсовая форма ведёт себя иначе, может начаться активное газовыделение. Пришлось разрабатывать специальные противопригарные покрытия для поверхности формы. Получилось, но экономическая целесообразность есть только для мелкосерийного производства сложнопрофильных деталей, где стоимость оснастки из металла была бы неподъёмной.

Компания ООО Чэнду Йехуа наука и техника, начавшая свою деятельность ещё в 2005 году, как раз выстроила свой профиль на таком нишевом, но требовательном сегменте — тонкостенные литые детали из цветных металлов. Их опыт подтверждает, что универсальных решений нет: под каждый сплав, под каждый контур детали параметры процесса, от состава гипса до графика давления, подбираются заново.

Практические ловушки и уроки

Никогда не забывай про усадку самой гипсовой формы при её изготовлении. Коэффициент расширения модельного состава (воска, полистирола) и гипса — разные. Если не сделать поправку на чертеже мастер-модели, получишь деталь на пару процентов меньше. Учились на этом, когда делали первую партию корпусов для измерительной аппаратуры. Все размеры 'ушли' в минус.

Ещё одна ловушка — очистка отливки. Гипс после выбивки налипает в тонких полостях, например, в каналах охлаждения. Струйная очистка не всегда помогает, может деформировать тонкие стенки. Приходится использовать мягкие абразивы или даже химическое растворение в определённых средах, что, конечно, удорожает процесс.

И самое главное — контроль. Визуальный осмотр, рентген, ультразвук. Без этого никуда. Особенно для таких заказчиков, как упомянутая компания, которая позиционирует себя как профессиональный производитель в этой области. Каждая партия — это история, где финальную точку ставит не печь, а дефектоскопист. Именно сочетание точного литья под давлением и вакуумом по гипсовым формам даёт ту самую возможность делать сложное, но оно же требует и предельной внимательности на всех этапах. Это не массовый процесс, это штучная, почти ювелирная работа с металлом.