Сущность литья по выплавляемым моделям заключается в том, что для получения отливок применяются разовые, точные неразъемные, керами­ческие оболочковые формы, получаемые по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей. Перед заливкой расплава модель уда­ляется из формы выплавлением, выжиганием, растворением или испарением. Для удаления остатков модели и упрочнения форма нагревается до высоких температур. Прокалка формы перед заливкой практически исключает ее газотворность и улучшает заполняемость расплавом.

Основные операции технологического процесса. Модель или звено моделей 2 изготовляют в разъемной пресс-форме 1, рабочая полость которой имеет конфигурацию и размеры отливки с припусками на усадку (модельного состава и материала отливки) и обработку резанием (рис. 1.1, а). Модель изготовляют из материалов, имеющих невысокую температуру плавления (воск, стеарин, парафин), способных растворяться (карбамид) или сго­рать без образования твердых остатков (полистирол). Готовые модели или звенья моделей собирают в блоки 3 (рис. 1.1, б) имеющие модели элементов литниковой системы из того же ма­териала, что и модель. Блок моделей состоит из звеньев, централь­ная часть которых образует модели питателей и стояка. Модели чаши и нижней части стояка изготовляют отдельно и устанавли­вают в блок при его сборке. Блок моделей погружают в емкость с жидкой формовочной смесью — суспензией для обо­лочковых форм, состоящей из пылевидного огнеупорного материа­ла, например пылевидного кварца или электрокорунда, и связую­щего (рис. 1.1, б). В результате на поверхности модели образуется тонкий (менее 1 мм) слой 4 суспензии. Для упрочнения этого слоя, увеличения его толщины на него наносят слои огнеупорного зернистого материала 5 (мелкий кварцевый песок, электрокорунд, зернистый шамот) (рис. 1.1, г). Операции нанесения суспензии и обсыпки повторяют до получения на модели оболочки требуемой толщины (3…10 слоев).

    Рис. 1.1. Последовательность изготовления многослойной оболочковой формы по выплавляемым моделям: а - запрессовка модельного состава в пресс-форму; б - сборка блока; в - нанесение суспензии; г - обсыпка; д - сушка; е - удаление модели; ж - засыпка опорным материалом; з - прокалка; и - заливка формы расплавом.

1 - пресс-форма; 2 – модель; 3 – блок моделей отливок и литниковой системы; 4 – слой суспензии; 5 – огнеупорный зернистый материал; 6 – пары аммиака; 7 – горячая вода; 8 – опорный материал; 9 – печь; 10 – прокаленная форма. 

Каждый слой покрытия высушивают на воздухе или в парах аммиака 6, что зависит от связующего (рис. 1.1, д). После сушки оболочковой формы модель удаляют из нее выплавленным, растворением, выжиганием или испарением. На рис. 1.1, е. показан процесс удаления выплавляемой модели в горячей воде 7 (Т_воды = 100 ⁰С). Так получают многослойную оболочковую форму по выплавляемой модели. Для упрочнения перед заливкой оболочковую форму помещают в металлический контейнер и засыпают огнеупорным материалом 8 (кварцевым песком, мелким боем ис­пользованных оболочковых форм) (рис. 1.1, ж). Для удаления остатков моделей из формы и упрочнения связующего контейнер с оболочковой формой помещают в печь 9 для прокаливания (рис. 1.1, з). Форму прокаливают при температуре 900…1100 ⁰С. Прокаленную форму 10 извлекают из печи и заливают расплавом  (рис. 1.1, м). После затвердевания и охлаждения отливки до заданной температуры форму выбивают, отливки очищают от остатков керамики и отрезают от них литники.

Во многих случаях оболочки прокаливают в печи до засыпки огнеупорным материалом, а затем для упрочнения их засыпают предварительно нагретым огнеупорным материалом. Это позволят сократить продолжительность прокаливания формы перед заливкой и сократить энергозатраты. Так, например, организуется технологический процесс на автоматических линиях для массового производства отливок (см. раздел 1.7).

Малая шероховатость поверхности формы при достаточно высокой огнеупорности и химической инертности материала позволяет получать отливки с поверхностью высокого качества. После очистки от остатков оболочковой формы шероховатость поверхности отливок может быть от R_z = 20 мкм до R_а = 1,25 мкм.

Отсутствие разъема формы, использование для изготовления моделей материалов, позволяющих не разбирать форму для их удаления, высокая огнеупорность материалов формы, нагрев ее до высоких температур перед заливкой и др.  улучшает заполняемость, дает возможность получать отливки слож­нейшей конфигурации, максимально приближенной или соответствующей конфигу­рации готовой детали, практически из всех известных сплавов. Коэффициент точности отливок по массе (КТМ) может достигать 0,85…0,95, что резко сокращает объемы обработки резанием и отходы металла в стружку. Точность отливок может соответствовать 2…5 классам точности по ГОСТ 26645-85, а припуски на обработку резанием для отливок размером до 50 мм обычно не превышают 1,0 мм, а размером до 500 мм составляют около 3,0 мм.  Поэтому литье по выплавляемым относится к прогрессивным материало- и трудосберегающим технологическим процессам обработки металлов. 

Краткие исторические сведения. Прообразом современного процесса литья по выплавляемым моделям является литье в формы, полученным по восковым моделям. Уже в древнем Эламе и Вавилоне около 4 тыс. лет назад использовали восковые модели для изготовления литых украшений и других предметов быта. Этот способ был известен в древнем Китае и Индии. Позже он получает распространение в Европе. Находки отливок, показывают поразительный расцвет художественной обработки металлов у древних племен Кавказа 2,5…3 тыс. лет назад.

В эпоху Возрождения великие художники и скульпторы использовали восковые модели для отливок художественных изделий — скульптур, украшений.

Восковые модели использовались и мастерами России в статуарном литье, при литье колоколов, пушек, церковной и домашней утвари. Примерами высокого мастерства литейщиков прошлого являются статуи Персея и отрубленной головы Медузы скульптора Бенвенуто Челлини, скульптурная группа «Укротители коней», модели и отливки выполнил скульптор П.К. Клодт, который  впервые в истории нашего искусства стал литейщиком (литейное дело изучал у известного мастера В.П. Екимова) и многие другие работы в разных странах мира.  

Позже этот процесс был освоен в зубопротезном и ювелирном производствах.

Его использованию в промышленности препятствовала низкая огнеупорность, использовавшихся тогда формовочных материалов (скульптурной глины, которая наносилась слоями на модель и служила материалом формы).

Лишь в 1929 году К. Прангль и Р. Ердл впервые применили огнеупорную суспензию, в которой в качестве связующего они использовали спиртовой коллоидный раствор кремниевого ангидрида. Сначала этот процесс нашел применение в стоматологии США, а позже для массового производства мелких отливок из стали и тугоплавких сплавов.

Начало широкого освоения этого способа в промышленности России связано с необходимостью получения лопаток авиационных двигателей. Первая промышленная партия таких отливок из сплавов на кобальтовой и никелевой основе была получена в 1944 году. В конце 40-х годов осваивается производство стальных деталей стрелкового оружия, швейных машин, бурового и металлорежущего инструмента.  

Дальнейшее развитие этого процесса позволило его использование и в других отраслях машиностроения и в приборостроении. Таким способом стали получать отливки из различных сплавов, толщина стенки которых была менее 1 мм, а шероховатость поверхности и точность размеров, позволяющая отказаться или значительно сократить объем обработки резанием. С этой целью стали производиться средства механизации и автоматизации процесса, на базе которых созданы автоматизированные литейные цехи по производству точных отливок.

          Однако литье по выплавляемым моделям - процесс многооперационный. Манипуляторные операции при изготовлении и сборке моделей, нанесении суспензии на модель и другие достаточно сложны и трудоемки, что осложняет автоматизацию процесса. Процесс состоит из ряда длительных операций, определяющих производительность -  послойное формирование и сушка слоев оболочковой формы на модели, прокаливание формы.

Вследствие большого числа операций, технологических факто­ров, влияющих на размеры полости формы и соответственно отливки, может снижаться точность отливок.

Качество отливок, получаемых данным способом, существенно зависит от стабильности свойств исходных материалов для изго­товления моделей, суспензии, формы, а также от стабильности режимов технологического процесса. Это осложняет автоматиза­цию управления технологическим процессом.

Указанные выше особенности технологического процесса изго­товления отливок в керамических оболочковых формах определяют три важнейшие проблемы его развития: сокращение числа операций технологического процесса и их длительности, упрощение манипуляторных операций с целью их автоматизации; реализация резервов повышения точности моделей, форм и отливок, которыми обладает данный процесс; создание систем автоматизированного управления технологическим процессом.

Особенности формирования и качество отливок. Особенности формирования отливок в оболочковой форме обусловлены тем, что, как правило, перед заливкой форму нагревают до сравнительно высоких температур. Эти особенности заключаются в следующем.

1. Небольшие теплопроводность, теплоемкость и плотность материалов оболочковой формы и повышенная температура формы снижают скорость отвода теплоты от расплава, что способ­ствует улучшению заполняемости формы. Благодаря этому воз­можно получение сложных отливок из стали с толщиной стенки 0,8…2,0 мм, со значительной площадью поверхности. Улучшению заполняемости формы способствует также и малая шерохова­тость ее стенок, возможность использования внешних воздействий на расплав таких, как поле центробежных или электромагнитных сил, заливка с использованием вакуума и др.

2. Невысокая интенсивность охлаждения расплава в нагретой оболочковой форме приводит к снижению скорости затвердевания отливок, укрупнению кристаллического строения, возможности по­явления в центральной части массивных узлов и толстых (6…8 мм) стенок усадочных дефектов — раковин и рыхлот. Тонкие же стенки (1,5…3,0 мм) затвердевают достаточно быстро, и осевая пористость в них не образуется. Для уменьшения усадочных дефектов необходимо создавать условия для направленного затвердевания и питания отливок. Для улучшения кристалличе­ского строения отливок используют термическую обработку.

3. Повышенная температура формы при заливке способствует развитию на поверхности контакта отливка - форма физико-химических процессов, которые позволяют привести изменение структуры поверхностного слоя отливки в требуемом или нежелательном направлении, т.е. к появлению дефектов поверхности.

Например, на отливках из углеродистых сталей характерным дефектом является окисленный и обезуглероженный поверхност­ный слой глубиной до 0,5 мм. Причина окисления и обезуглеро­живания отливок заключается во взаимодействии в основном кислорода воздуха с металлом отливки при ее затвердевании и охлаждении, Эти процессы достаточно подробно рассмотрены в работах [13, 16].

Основные факторы, влияющие на процесс обезуглерожива­ния - это состав газовой среды, окружающей отливку, температура отливки и формы, содержание углерода в отливке.

С увеличением содержания в среде, окружающей отливку, газов-окислителей О₂, СО₂ и паров Н₂О, при высоких температурах отливки и формы процессы обезуглероживания интенсифици­руются. Поэтому небольшая скорость охлаждения отливки в на­гретой оболочковой форме способствует увеличению глубины обезуглероженного слоя отливки. Увеличение содержания угле­рода в стали повышает интенсивность обезуглероживания поверхностного слоя отливки. Для уменьшения глубины обезуглероженного слоя используют специальные технологические приемы,  основанные на предотвращении или уменьшении контакта кисло­рода воздуха с затвердевающей отливкой; на создании вокруг отливки восстановительной газовой среды и на быстром охлаждении, т. е. сокращении длительности реакции.

На отливках из легированных сталей следствием физико-химического взаимодействия материалов формы и отливки при высоких температурах являются точечные дефекты (питтинг), приводящие к снижению коррозионной стойкости, жаростой­кости и жаропрочности отливок и их браку.

Предупреждать появление этого дефекта возможно созданием восстановительной газовой среды в форме, заливкой форм в ва­кууме, нейтральной или защитной среде; уменьшением или устранением взаимодействия окислов отливки и формы; заменой ее огнеупорного материала, например кремнезема, высокоинертными основными (магнезитовые, хромомагнезитовые).

4. Стремление получить отливки с чистой, гладкой поверх­ностью вызывает необходимость использования огнеупорных мате­риалов с малыми размерами зерна основной фракции (< 0,05). Это снижает газопроницаемость оболочковой формы до несколь­ких единиц, создает опасность образования воздушных «мешков» в форме при ее заполнении, приводит к снижению заполняемости формы и образованию дефектов отливки из-за незаполнения формы.

Эффективность производства и область применения. На основе производственного опыта можно указать следующие преимущества способа литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям:

1) возможность изготовления практически из любых сплавов отливок сложной конфигурации, тонкостенных, с малой шероховатостью поверхности, высоким коэффициентом точности по массе, минимальными припусками на обработку резанием, с резким сокра­щением отходов металла в стружку;

2) возможность создания сложных конструкций, объединяющих несколько деталей в один узел, что упрощает технологию изготовления машин и приборов; 3) возможность экономически выгодного осуществления процесса в единичном (опытном) и серийном производствах, что важно при создании новых машин и приборов; 4) уменьшение расхода формовочных материалов для изготовления отливок, снижение материалоемкости производства; 5) улучшение условий труда и уменьшение вредного воздействия литейного процесса на окружающую среду. 

Наряду с преимуществами способ обладает и следующими не­достатками:

1) процесс изготовления формы многооперационный, трудоемкий и длительный;

2) большое число технологических факторов, влияющих на качество формы и отливки, и соответствен­но сложность управления качеством;

3) большая номенклатура материалов, используемых для получения формы (материалы для моделей, суспензии, обсыпки блоков, опорные материалы);

4) сложность манипуляторных операций изготовления моделей и форм, автоматизации этих операций;

5) повышенный расход металла на литники и поэтому невысокий технологический выход годного (ТВГ).

Указанные преимущества и недостатки определяют эффектив­ную область использования литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям:

1) изготовление отливок, максимально приближающихся по конфигурации к готовой детали с целью снижения трудоемкости обработки труднообрабатываемых металлов и сплавов резанием, сократить использование обработки давлением труднодеформируемых металлов и сплавов, замены трудоемких операций сварки или пайки для повышения жесткости, герметичности, надежности конструкций деталей и узлов;

2) изготовление тонкостенных крупногабаритных отливок по­вышенной точности с целью снижения массы конструкции при по­вышении ее прочности, герметичности и других эксплуатационных свойств;

3) изготовление отливок повышенной точности из сплавов с особыми свойствами и структурой.

Производство отливок по выплавляемым моделям находит ши­рокое применение в различных отраслях машиностроения и в при­боростроении.

Использование литья в оболочковые формы для получения заготовок деталей машин взамен изготовления их из кованых заготовок или проката, позволяет в среднем уменьшить отход металла в стружку на 34…90%, снизить трудоемкость обработки резанием на 25…85%, себестоимость изготовления деталей на 20…80%. Однако, следует учитывать, что экономическая эффективность существенно зависит от выбора номенклатуры отливок, изготовля­емых этим способом.

Только при правильном выборе номенклатуры деталей можно достичь высокой экономической эффективности производства.