Литье алюминия: не только про формы и температуру 

Когда говорят про литье алюминия, многие сразу представляют печь, расплав и готовую отливку. Но настоящая головная боль начинается между этими этапами. Вакуумное литье в гипсовые формы, например, многими воспринимается как панацея для сложных тонкостенных деталей, но тут кроется первый подводный камень — сам гипс. Не тот, что в строительном магазине, конечно, а композитные смеси, но и они бывают разные. Опыт показывает, что качество поверхности и точность размеров упираются не столько в модель или сплав, сколько в подготовку этой самой формы, её сушку и, что критично, в режим вакуумирования. Частая ошибка — гнаться за высокой скоростью откачки воздуха, а потом удивляться, почему в теле детали появились раковины. Воздух должен уходить, а не создавать турбулентность в потоке металла.

Гипсовая форма: где кроется дьявол

Вот наша практика. Брали стандартную смесь для точного литья, казалось бы, всё по рецепту. Заливали модель, сушили по рекомендованному графику — медленный нагрев до 200°C. Получали форму, внешне идеальную. Но при заливке сплава А356 в вакуумной камере на стенках отливки появлялась мелкая шероховатость, почти невидимая глазу, но убийственная для последующего гальванического покрытия. Стали разбираться. Оказалось, остаточная влага. Не та, что измеряется стандартными датчиками, а связанная влага в глубоких слоях гипса. При контакте с расплавом она мгновенно превращалась в пар, который не успевал полностью эвакуироваться через вакуумную систему, и микроскопические пузырьки ?припечатывались? к поверхности металла.

Решение пришло не из учебников, а от коллег по цеху, с которыми пересеклись на одной выставке. Речь шла не о времени сушки, а о её профиле. Пришлось внедрить ступенчатый режим с длительной выдержкой при 80-90°C, а затем резким, но контролируемым подъёмом до 220°C. Это добавило почти 8 часов к циклу изготовления формы, но проблема со шероховатостью исчезла. Вот тебе и ?простой? гипс.

Ещё один нюанс — армирование формы. Для крупных или протяжённых тонкостенных деталей, тех же корпусов приборов, гипс сам по себе хрупок. Раньше пробовали добавлять в массу различные волокна, но это часто ухудшало поверхность. Сейчас идём по пути внешнего каркаса из термостойкой сетки, который заформовывается в блок. Это позволяет форме держать геометрию при вакуумировании и заливке, не трескаясь от термического удара. Мелочь? Нет, без этого о стабильном производстве можно забыть.

Вакуум: не просто ?откачать воздух?

Вакуумное литье — это не про абсолютный вакуум. Это про управляемое разрежение. Настроить систему так, чтобы она работала в унисон с процессом заливки — целое искусство. У нас стояла установка с ручным управлением клапанами. Оператор открывал заслонку на магистрали, ориентируясь на опыт и секундомер. Результат был… вариативным. Иногда отливки выходили чистыми, иногда — с дефектами.

Переломный момент наступил после партии брака для одного заказа — требовались ответственные тонкостенные крышки с минимальной шероховатостью. Брак был пористость в верхней части. Стали логировать процесс: давление в вакуумной линии, скорость подъёма металла в литниковой системе, температура сплава. Выяснилось, что оператор, видя, что металл идёт чуть медленнее, раньше открывал вакуумный клапан, создавая избыточное разрежение в форме ещё до её полного заполнения. Металл как бы ?взбивался?.

Пришлось перейти на систему с автоматическим программным циклом. Вакуум включается не в момент начала заливки, а с небольшой задержкой, когда литниковая чаша уже заполнена, и металл начинает поступать в полость формы плавно, под действием гравитации. А затем вакуум плавно наращивается, помогая заполнить тонкие сечения и удалить газы из глубоких карманов. Разница была как небо и земля. Именно после этого мы смогли стабильно делать детали с толщиной стенки 1.5-2 мм без недоливов.

Про сплавы и температуру: А356 не всегда панацея

Все привыкли к А356 (АЛ9) для литья. Хорошая жидкотекучесть, приемлемые механические свойства. Но для некоторых тонкостенных конструкций, где важна не столько прочность, сколько герметичность или стойкость к термическим циклам, мы стали смотреть в сторону АК7ч (АЛ4). Да, он капризнее, склонен к образованию усадочной пористости, но при правильной технологии вакуумного литья в гипс он даёт более плотную структуру металла. Ключ — в температуре перегрева и скорости охлаждения. С А356 часто работаем при 720-730°C, а для АК7ч поднимаем до 750-760°C, но при этом строже контролируем температуру формы (предварительный нагрев до 250-300°C), чтобы избежать резкого перепада.

Был неудачный опыт с попыткой отлить корпусную деталь из сплава АК5М (АЛ5) для повышенной прочности. Гипсовая форма, даже вакуумированная, не обеспечила нужной скорости отвода тепла. Получилась крупнозернистая структура, и в зонах перехода толщин стенок пошли микротрещины. Пришлось признать, что для таких задач больше подходит литьё под давлением или в кокиль, но не наш метод. Это важный вывод: технология не универсальна, её границы надо знать.

От модели до детали: цепочка, которую нельзя разрывать

Исходная мастер-модель. Часто её делают из модельного пластика или дерева на ЧПУ. Но для гипсового литья важна не только геометрия, но и усадка. И усадка двойная: сначала гипса при сушке и прокалке, потом алюминиевого сплава. Коэффициенты известны, но они работают идеально только в теории. На практике, для ответственной детали мы всегда делаем пробную отливку, замеряем фактические размеры и затем вносим поправку в модель. Особенно это касается изделий с большими плоскими поверхностями или внутренними полостями сложной формы.

На сайте компании ООО Чэнду Йехуа наука и техника сантай филиал предприятия (https://www.www.cdyhkj.ru) указано, что они специализируются на производстве тонкостенных литых деталей методом вакуумного литья из алюминиевого сплава и гипса. Судя по формулировке, они как раз сталкиваются с этими же проблемами — управление усадкой и качеством поверхности для тонких стенок является для них ключевым. Без отлаженной цепочки от 3D-модели до финишной обработки здесь делать нечего.

Литниковая система — это отдельная тема для разговора. Её конструкция для вакуумного литья в гипс отличается от обычной. Плавные переходы, минимальное турбулентное движение металла, но при этом эффективный подвод к тонким сечениям. Часто используем веерные литники или щелевые. Расчёт здесь приблизительный, многое основано на эмпирике. Помню, как для одной решётки с множеством мелких ребер пришлось делать литник в виде кольца по периметру, чтобы обеспечить одновременный и равномерный подвод металла ко всем элементам. Потратили три попытки, пока добились заполнения без холодных спаев.

Контроль и брак: учиться на своих ошибках

Визуальный контроль и измерение — это только вершина айсберга. Самые коварные дефекты — внутренние. Рентген стал нашим главным инструментом. Особенно после того случая, когда партия деталей прошла ОТК, но на сборке, при запрессовке подшипника, корпус лопнул. Рентген показал скрытую усадочную раковину в зоне, которую сложно проконтролировать щупом или УЗК из-за геометрии.

Теперь рентгенографируем выборочно, но не первую отливку из партии, а из середины и конца, когда оператор мог устать или незначительно сбиться с режима. Также внедрили контроль твёрдости по Бринеллю в нескольких точках отливки. Разброс значений больше допустимого — сигнал к тому, чтобы проверить температурный режим плавки и заливки. Несоответствие твёрдости часто идёт рука об руку с нестабильностью структуры.

Брак неизбежен. Важно его не скрывать, а разбирать. У нас стоит ящик с образцами типичных дефектов: недолив, пористость, усадочные раковины, трещины. Рядом указана вероятная причина и что было сделано на практике для её устранения. Это живой документ, который полезнее любого учебника для новых технологов и операторов. Например, пористость в верхней части отливки может быть как от плохого вакуумирования, так и от избыточной температуры формы, которая замедлила направленное затвердевание. Надо смотреть в комплексе.

Вместо заключения: технология как процесс, а не рецепт

Так что, если резюмировать, литье алюминия по вакуумно-гипсовой технологии — это не застывший набор инструкций. Это постоянный баланс между параметрами: температура сплава и формы, скорость вакуумирования, состав гипсовой смеси, геометрия литников. Малейшее отклонение в одном звене тянет за собой изменения в другом. Универсальных решений нет, под каждый тип детали, особенно тонкостенной, технологию приходится немного подстраивать.

Именно поэтому компании, которые занимаются этим профессионально, как та же ООО Чэнду Йехуа наука и техника сантай филиал предприятия, держатся не на оборудовании (хотя и оно важно), а на накопленном опыте и умении быстро диагностировать и решать проблемы в процессе. Их сайт (https://www.www.cdyhkj.ru) говорит о специализации на тонкостенных деталях, а это высший пилотаж в данном методе. Значит, они прошли через все эти грабли с сушкой гипса, настройкой вакуума и подбором сплавов. И, скорее всего, продолжают сталкиваться с новыми вызовами, потому что заказы всегда разные. В этом и есть суть работы — не просто лить металл, а каждый раз находить оптимальный путь от чертежа до готовой детали.