Точное литьё по выплавляемым моделям: машины производства ювелирных изделий

Точное литьё по выплавляемым моделям: машины производства ювелирных изделий

Технология точного литья по выплавляемым моделям представлена наиболее широко распространённой методикой производства ювелирных (золотых) украшений. Ежегодно посредством технологии — точное литьё по выплавляемым моделям, обрабатываются значительные объёмы сплавов каратного золота. Важным фактором в этом деле являются машины литья ювелирных изделий, соответствующие стандартам эффективности и качества для крупномасштабного производственного оборудования.

Краткие исторические сведения по технологии

Если в древности отмечалось широкое использование связанного процесса — точного литья по восковым моделям, современная техника точного литья по выплавляемым моделям применялась в промышленности относительно короткий период времени. Использование процесса точного литья по восковым моделям в области зубного протезирования в 1907 году не сразу сопровождалось другими применениями.

Таким образом, только в конце 1930-х годов был освоен производителями ювелирных изделий процесс точного литья по выплавляемым моделям. А для накопления технологического опыта потребовалось ещё несколько десятилетий.

Нужно отметить: процесс, используемый теперь в ювелирном производстве, в малой степени обязан инженерному точному литью по выплавляемым моделям. Технологии, используемые в этих двух областях, развивались практически независимо. В настоящее время ювелирное литьё переживает эпоху значительных изменений.

Представляется вероятным, что период последних нескольких десятков лет эмпирической разработки материалов и оборудования подходит к концу. Ожидается, что процесс будет развиваться на лучшей технической основе, чем это имело место до некоторых времён.

Точное литьё по выплавляемым моделям — основной процесс

Отправной точкой для изготовления ювелирного литья выступает мастер-модель детали, обычно изготовленная из металла с высочайшим стандартом детализации и отделки. Исходя из мастер-модели, производится негативная форма для изготовления расходных штампов.

Для этого традиционной процедурой видится вулканизация сплошного спрессованного крепа вокруг мастер-модели. Здесь применяется нагрев и давление с последующим разделением матрицы и удалением путём резки хирургическим скальпелем.

Двухкомпонентные штампы (матрицы), сделанные таким путём, позволяют воспроизводить сложные конструкции с пустотами, путём впрыскивания расплавленного воска под низким давлением. При этом упругий креп допускает удаление моделей без каких-либо искажений.

Другими рабочими материалами матричной модели являются:

  • литые эластомеры,
  • литые эпоксидные смолы,
  • легкоплавкие сплавы.

Жёсткие или металлические матрицы допустимо использовать при более высоких давлениях впрыска воска, чем это допускают пластичные материалы, чтобы получать точные мельчайшие детали. Если требуются значительные производственные циклы, образцы допустимо изготовить в металлических штампах путём литья пластмасс под давлением.

Восковые модели устанавливаются в большом или малом количестве в зависимости от требований производства и мощности литейной машины. Для настройки используются различные методы. Однако наиболее распространённым для массового производства считается радиальное прикрепление моделей с помощью коротких литников к тяжёлому центральному фидеру.

ПЛАВИЛЬНАЯ

Точное литьё по выплавляемым моделям - фидер матричный
Пример фидера с набором рабочих матричных штампов, используемых в процессе — точное литьё по выплавляемым моделям в ювелирном производстве

После настройки (образцы) шаблоны помещаются в форму и включаются во вложение. Почти все вложения для ювелирных изделий основаны на комбинациях гипса и кремнезёма, которые смешиваются с жидкими суспензиями, с водой и составляются таким образом, чтобы схватываться примерно через 10 минут после начала смешивания.

Твёрдые блочные формы являются общим правилом. Многократные процедуры вложения с внутренними и вспомогательными вложениями не используются в практике литья ювелирных изделий. Большинство литейных форм изготавливаются в цилиндрических жаропрочных металлических контейнерах. Воздух, захваченный на поверхности образцов, удаляется до начала схватывания, благодаря чему пресс-форма остаётся под вакуумом, достаточным для вскипания воды в смеси.

Набор форм депарафинизируют при низкотемпературном нагреве, либо на воздухе, либо на пару, после чего обжигают до температуры от 700 до 800°C, чтобы вулканизировать вложение и сжечь остатки углерода. Перед литьём ювелирные формы обычно охлаждают до температуры 300-700°C в зависимости от температуры литья используемого сплава и характера образцов в форме.

Машины под точное литьё по выплавляемым моделям

Вкладываемые формы ювелирного типа не поддерживают простую гравитационную укладку.

  1. Комбинация закрытых моделей с огнеупором с низкой проницаемостью,
  2. Воспроизводство мелких деталей и деликатных участков.
  3. Относительно небольшие размеры расплавов.
  4. Низкий гидростатический напор.
  5. Низкое термическое содержание металла.

Все указанные моменты исключают возможность простой гравитационной укладки.

Следовательно, точное литьё металла в шаблон почти всегда выполняется в какой-либо форме литейной машины. Основная функция литейной машины — применение давления к расплавленному металлу с целью полного проникновения в форму с последующим заполнением. То же самое давление может также использоваться для осуществления переноса расплавленного металла в кристаллизатор из тигля, если такой компонент является частью машины для отливки.

Центробежная сила, давление или вакуум, или комбинация таких состояний, используются для выполнения отмеченных выше двух функций. Машины для литья также могут оснащаться средствами для плавления металла, тигля или топки, где металл расплавляется внешней горелкой. На более сложных машинах предусмотрены вспомогательные функции:

  • индикация и регулирование температуры расплава,
  • регулирование атмосферы,
  • регулирование давления разливки.

Рассмотрим существующие типы машин для отливки золотом и другими металлами, которые активно применяются ювелирными мастерами.

Тип #1: Центробежные литейные машины

Центробежные машины для литья ювелирных изделий, по сути, достаточно сложно поддаются характеристике центробежных систем. Здесь форма не вращается вокруг своей оси, а установлена на одном конце уравновешенного рычага, вращение которого создаёт необходимое давление для выталкивания металла в форму. Такие литейные машины изначально оснащались пружинным приводом.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ

Точное литьё по выплавляемым моделям - пружинная центробежная машина
Простая пружинная центробежная литейная машина. Тигель для плавки горелкой и пустая колба для вложений – эти детали расположены на шарнирной консоли

Современные конструкции центробежных машин для литья почти всегда приводятся в движение на скоростях до 300 об/мин. Более совершенные аппараты имеют регуляторы скорости вращения (крутящего момента). Вращение механическим приводом обеспечивает постоянную скорость и гарантирует, что центростремительное усилие продолжится до момента, пока металл не затвердеет.

Кроме того, исключается возможность обратного хода. В отличие от машин для литья с пружинным приводом, низкая скорость взлёта может сопровождаться увеличением скорости. Так уменьшается вероятность турбулентности и обеспечивается максимальное уплотнение металла внутри формы. Пружинное вращение, в любом случае, нецелесообразно для машин под литьё большой емкости, которые способны отливать до 7 кг 18-каратного золотого сплава.

  1. Горелка.
  2. Электрическое сопротивление.
  3. Высокочастотная индукционная плавка.

Все эти конструктивные вариации используется на машинах центробежного литья. Существует несколько машин большой ёмкости, где металл плавится в обычном тигле в отдельной печи. Причём тигель с расплавленным зарядом передаётся в несущую подставку на машине непосредственно перед выпуском литейного рычага. Однако прямое плавление на машине является наиболее распространённой практикой.

Тип #2: Факельные плавильные машины

Плавление горелкой осуществляется в плоскодонных тиглях, закрытых крышкой на переднем конце, где имеется центральное отверстие. Через отверстие металл переносится в форму для литья (картинка ниже). Тигли для плавления горелкой обычно отливаются в глиноземных огнеупорных материалах и, если такие тигли защищены от механических повреждений, срок службы исчисляется многими годами.

МИНИ-ПЛАВКА

Точное литьё по выплавляемым формам - принцип факельной плавки
Принцип факельной плавки (с помощью горелки) с последующим процессом заполнения: Н – нагрев; 1 – расплавление; 2 – момент начала вращения; 3 – заполнение формы расплавом

На современном этапе технологического совершенства значительное внимание уделяется конструкции факельных плавильных машин для обеспечения:

  • эффективной плавки,
  • плавного переноса расплава в форму,
  • предотвращения тангенциальных потерь при ускорении консоли разливочной машины.

Несмотря на то, что неглубокая конфигурация тигля для источника нагрева способствует быстрой плавке, такая конфигурация также может способствовать окислительному расходу или газовой абсорбции в результате большой открытой поверхности расплавленного металла.

Однако, опытные плавильщики, использующие эффективную горелку, не испытывают затруднений в производстве газосодержащих и свободных от оксидов расплавов при получении любого ювелирного сплава. Городской газ, природный газ, пропан или ацетилен используются в качестве топлива для горелок в сочетании с воздухом или кислородом под давлением.

Факельное плавление (горелкой) сопровождает существенный технический недостаток, заключающийся в том, что регулирование температуры и защита расплава от окисления невозможны. Подготовка металла в оптимальных условиях для литья зависит от квалификации оператора. Применение вакуума или инертной атмосферы исключается.

Тип #3: Плавильные машины сопротивления

Использование плавки золота сопротивлением ограничено двумя типами литейных машин. Один тип использует горизонтальную цилиндрическую печь с проволочной обмоткой. Конструкция оснащается цилиндрическим графитовым тиглем с загрузочным отверстием на одном конце и заливочным отверстием на другом. Печь жёстко закреплена на прямой литейной консоли, а пресс-форма закреплена на ступенчатой скользящей пластине.

Термопара, установленная в канавке на внешней стенке тигля, позволяет контролировать температуру печи. Закрытая конструкция графитового тигля обеспечивает чистые безгазовые расплавы при температуре плавления до 1000°C. Машина сопротивления, однако, имеет ограниченную производительность, максимум около 620 г сплава золота 18 карат. Кроме того, плавление происходит медленно, трудно наблюдать за состоянием плавления, а рычаг приводится в движение пружиной.

Машина для плавления сопротивлением, представляющая большой интерес для ювелиров, выпускается в диапазоне размеров с максимальной вместимостью 18-каратного золота от 200 до 2000 г. Первоначально разработанная для применения в стоматологии, эта система уникальна тем, что здесь используется углерод стойкий нагрев и перенос металла путём наклона благодаря центробежной конфигурации. Печь имеет трубчатую форму с вертикальной осью для плавки, вращающейся на цапфах с переводом в горизонтальное положение для разлива.

Печь устанавливается на краю горизонтального поворотного стола с механическим приводом, который несёт противовес или вторую печь на противоположном краю. Сначала форму помещают жерлом вниз над верхом плавильного тигля и фиксируют на месте. Когда металл расплавляется, поворотный стол изменяет местоположение, расцепляющее устройство освобождает печь, которая переводится в горизонтальное положение с последующим заполнением формы.

ДЛЯ ОТЛИВКИ

Точное литьё по выплавляемым моделям - схема отливки
Схематичная демонстрация отливки золота: 1 – расплавленный металл; 2 – тигель; 3 – угольный нагреватель сопротивлением; 4 – начальное положение формы; 5 – положение заполнения формы

Наклон в горизонтальное положение контролируется масляной приборной панелью, чем обеспечивается плавный перевод металла внутрь формы, по сравнению с другими системами. Металл может быть расплавлен в графитовом или керамическом тигле, прикреплённом внутри керамического вкладыша к трубчатому элементу сопротивления.

Применительно к ювелирным сплавам, практического ограничения температуры плавления не существует. Условия плавления неизбежно снижаются и являются вполне удовлетворительными для нормальных цветных золотых сплавов.

Однако для случаев сплавов белого золота, в частности мягких сплавов с высокой температурой плавления, существует опасность захвата вредных примесей:

  • сера,
  • графит,
  • кремний,

что приводит к серьёзной тепловой коррозии и явному охрупчиванию. Температура печи может контролироваться термопарой, расположенной между резистивным элементом и футеровкой печи, но при такой конфигурации может существовать значительная разница между указанной и фактической температурой металла.

Система плавления сопротивлением демонстрирует удовлетворительное применение центробежного принципа для литья ювелирных изделий:

  1. Комфортные условия плавления.
  2. Возможен некоторый контроль температуры расплава.
  3. Достигается плавный, контролируемый перенос металла.
  4. Стоимость оборудования невысокая.

Недостатками такого типа машин являются:

  1. Ограниченная максимальная вместимость,
  2. Невозможность загрузки крупногабаритного лома.
  3. Медленное плавление.
  4. Ограниченный срок службы нагревательного элемента.

Плавление сопротивлением обеспечивает плавный центробежный перенос металла, по сравнению, к примеру, с индукционной плавкой. Однако это преимущество видится не актуальным в будущем, при условии сохранения технологии статического литья на первых позициях.

Тип #4: Высокочастотные индукционные машины

В настоящее время машины центробежного литья индукционной плавкой явно выделяются из всех типов машин для литья ювелирных изделий. Высокочастотные индукционные плавильные машины продаются многими производителями Европы, США, Китая. По сути, все эти конструкции напоминают системы с встроенным клапаном на водяном охлаждении или твердотельные генераторы с номинальной мощностью от 3 до 18 кВт на коротко выдвинутых катушках.

Плавка происходит в вертикально тиглях, как правило, установленных на жёстком уравновешенном силовом центробежном отливном рычаге, вращающемся в горизонтальной плоскости. Ёмкость плавления варьируется от 150 г до 5 кг 18-каратного сплава золота. Считается, что слабым местом большинства таких машин является механизм переноса металла из тигля в кристаллизатор.

Это обусловлено тем, что стенки тигля наклонены наружу на несколько градусов от вертикали, и в верхней части стороны предусмотрено отверстие для слива, обращённое наружу от центра вращения и совмещённое с центром горловины горизонтальной формы. В случае керамических тиглей, половина тигля со стороны отверстия для заливки может быть покрыта цельным литым колпаком. Но в случае более широко используемых графитовых тиглей, отверстие для заливки представляет собой полукруглое углубление в верхнем крае, которое покрыто свободно переносимой плоской крышкой.

Когда центробежный рычаг приводится в движение, центростремительная сила заставляет расплавленный металл подниматься вверх по наклонной стенке тигля, противоположной центру вращения. Подъём происходит до момента, пока не достигнуто разливочное отверстие, через которое металл быстро сбрасывается внутрь формы.

ИНДУКЦИОННАЯ

Точное литьё по выплавляемым моделям - схема индукционной плавки
Схема заполнения формы методом индукционной плавки золота: 1 – исходная рабочая форма; 2 – поддержка тигля; 3 — тигель

Очевидно, что имеется только небольшая составляющая центростремительной силы, чтобы заставить металл подниматься по стенке тигля, но как только металл достигает разливочного отверстия, к нему внезапно прикладывается полная сила. Момент сброса сопровождается быстротечностью и высокой турбулентностью.

Если центростремительная сила высока, такое состояние может привести к чрезмерному захвату воздуха в металлическом потоке. Эффект способен вызвать значительную и нередко дефектную пористость в отливках. Если воздух захвачен металлом и затвердевание происходит быстро, как это обычно бывает, времени для вытеснения воздуха из полости кристаллизатора может не хватить, прежде чем начальная сплошная металлическая оболочка сформируется на стенках кристаллизатора.

При более медленном затвердевании металла внутри отливки центробежное действие приводит к тому, что пузырьки воздуха задерживаются под поверхностью отливок в точках, обращенных к оси вращения. Поэтому видится важным, чтобы какая-то форма управления скоростью, которая позволяет прогрессивное приложение центробежной силы, применялась на машинах индукционной плавки. Если на машине индукционной плавки есть контроль температуры, это может быть сделано при помощи радиационных пирометров или погружаемых термопар.

На показания пирометра могут влиять оксидные плёнки на поверхности расплава, пары или неэффективное перемешивание при радиочастотном плавлении. Термопары могут пострадать от паразитных токов, а срок службы оболочки часто слишком короткий. Таким образом, оба способа управления имеют ограничения, но оптическая пирометрия намного проще для использования с тиглем, который должен перемещаться, и на котором трудно организовать электрические соединения.

Плавление цветных золотых сплавов обычно происходит внутри механически обработанного графита или электропроводящих тиглях из карбида биликона. При использовании очень высокочастотных токов, подключение к металлической шихте не слишком эффективно. При использовании тигля в качестве токоприемника достигается более эффективное плавление.

Использование графитовых тиглей также обеспечивает определенную степень защиты атмосферы над расплавом. Правда, для сплавов с высоким содержанием основного металла этого недостаточно для предотвращения окисления. Поэтому большинство машин имеют оборудование для введения инертной (восстановительной) атмосферы над тиглем.

Используемая атмосфера может включать:

  • природный газ,
  • азотно-водородные смеси,
  • аргон.

С последним газом могут возникнуть трудности, если в составе аргона содержится влага. Может произойти восстановление водяных паров в графитовом тигле, что приведёт к абсорбции водорода в расплав с последующим появлением газовой пористости в отливах.

Тип #5: Статические плавильные машины

Простые статические машины для литья под давлением воздуха или пара использовались параллельно с центробежными машинами для литья зубных коронок несколько дольше, чем литьё ювелирных изделий коммерческим способом. Эти машины были пригодны только для разливки небольших расплавов, изготовленных в верхней части формы. Раннее коммерческое литьё ювелирных изделий осуществлялось преимущественно с помощью центробежных машин.

Для производства ювелирных изделий в небольших масштабах впервые в Соединённых Штатах начали появляться простые статические машины. Вместе с тем было ограничено использование более крупного оборудования того же общего типа для литья изделий утолщённого сечения. Принцип всех этих машин состоял в следующем: форму помещали на жаропрочную прокладку на плоском столе над отверстием, соединённым с вакуумным насосом. Вакуум прикладывали к основанию формы во время заливки расплавленного металла.

Низкое давление в полости пресс-формы вызывало атмосферное давление, заставляющее металл проникать в пресс-форму, а заполнению способствовало уменьшение амортизационного эффекта воздуха в полости пресс-формы. Эти методы, пусть даже эффективные для отливки небольших форм или тяжёлых секций, непригодны для отливки ювелирных изделий в промышленных масштабах. Только в 1970 году коммерческое оборудование для литья по выплавляемым моделям стало доступным для производителей.

Процесс, правильно описанный как «литьё под давлением с применением вакуума», а не как «литьё под вакуумом», достаточно прост. Используется перфорированная литьевая колба с тяжелым фланцем на верхнем или входном конце расплавленного металла. Пресс-формы заливаются обычным способом с одним входом литника в полость.

Машина плавильная статическая состоит из цилиндрической литейной камеры, достаточно большой, чтобы вместить самую большую используемую форму, которая имеет открытый верх с фланцем, соответствующим фланцу на колбе. Камера отливки установлена внутри вакуумной полости большого объёма, изолирована от этой полости быстродействующим клапаном большого диаметра.

ЦИФРОВАЯ

Точное литьё по выплавляемым моделям: статическая плавильная машина
Статическая плавильная машина: 1 – впускной воздушный клапан; 2 – перфорированный контейнер; 3 – тигель; 4 – высокотемпературная изоляция; 5 – к вакуумному резервуару; 6 – рабочая форма

Вакуумная камера снабжена простым манометром. Атмосферный воздух откачивается из полости роторным насосом. Металл плавится независимо в любой подходящей тигельной печи, и, когда необходимо выполнить отливку, вакуумная полость откачивается при закрытом клапане, горячая литейная форма помещается на фланец камеры литья, оснащённой термостойкой прокладкой.

Расплавленный металл просто выливается внутрь формы вручную, вакуумный клапан открывается на мгновение, прежде чем поток металла касается поверхности формы. Этот метод даёт хороший результат при производстве больших объёмов мелких ювелирных изделий.

Также видится подходящим для отливок больших размеров, слишком тяжёлых для производства на центробежных машинах. Недостатками являются стоимость специально разрабатываемых контейнеров, сложность точной установки или извлечения этих контейнеров из разливочной машины при температуре до 700°C.

Тем не менее, производители оборудования внедрили несколько разработок, направленных на упрощение и экономичность эксплуатации. Методы литья под вакуумом работают хорошо в руках опытных операторов. Но всё еще существует противоречие относительно эффективности методов для литья тонких профилей. Это связано с тем, что правильное литьё под давлением, пожалуй, более важно, чем при центробежном литьё, а время открытия вакуумного клапана относительно разливки металла имеет первостепенное значение.

По этой причине были разработаны автоматические машины, где полость пресс-формы заранее откачивается вместе с пресс-формой в герметичной камере. Это, пожалуй, самые сложные литейные машины, существующие в настоящее время. Конструкция  имеет полностью закрытую камеру для литья. Разливочное отверстие в крышке камеры закрыто на дне плавильной печи, которая снабжена нижним тиглем для разлива, закрытым сверху графитовой пробкой, несущей термопару.

АССОРТИМЕНТ

Точное литьё по выплавляемым моделям индукционной плавкой
Точное литьё по выплавляемым моделям индукционной плавкой: 1 – термопара; 2 – графитовый стопор; 3 – индукционная катушка; 4 – графитовый тигель; 5 – рабочая форма; 6 – вакуумная камера; 7 – пневматический подъёмник

Плавление в больших машинах происходит посредством индукции средней частоты. Простой перенос расплавленного металла из тигля в кристаллизатор контролируется достижением либо требуемой температуры металла, либо парциального давления в

литейной камере. В автоматических машинах недавней конструкции:

  • индукционная катушка,
  • тигель,
  • механизм выпуска металла,

полностью заключены в отдельную металлическую вакуумную камеру, что позволяет осуществлять полный вакуум или плавку и разливку в инертной атмосфере.

Также разрабатываются машины, где индукционная катушка и пресс-форма заключены в одну вакуумную камеру. Разливка обычно осуществляется путём наклона тигля с помощью внешних элементов управления. В простейшем случае давление разливки устанавливается путем вакуумирования камеры во время плавления и последующего воздействия атмосферного давления в момент заливки металла в форму.

Большинство сплавов золота с низким содержанием карата не рекомендуется плавить при низких давлениях. Для таких сплавов используются машины с полной вакуумной камерой с обратной закачкой инертным газом до парциального давления, достаточного для устранения улетучивания легирующих элементов. В этом случае возможность применения полного вакуума к основанию пресс-формы в момент литья является решающим преимуществом.

Тип #6: Гибридные плавильные машины

Разработка центробежных индукционных плавильных машин заключалась в том, чтобы использовать плавильную катушку и литейную консоль в вакуумной камере. Этот шаг привёл ко многим проблемам проектирования. Плавильные машины значительно подорожали, но улучшение качества отливок осталось под вопросом.

Поэтому назрело несколько иное решение — применение вакуума в донной области литейных форм, в то время как отливка осуществлялась обычными центробежными методами. Обусловлен подход тем, что вакуумом вытягиваются «вредные» газы из кристаллизатора до того момента, когда поступает металл, а давление атмосферы на металл способствует заполнению пресс-формы. Однако маловероятно, что какие-либо «вредные» газы будут присутствовать в правильно созданных формах для вложений.

Вакуум не прикладывается к основанию кристаллизатора до тех пор, пока не начнётся вращение литейного рычага. Таким образом, не происходит существенной продувки пресс-формы перед входом металла, и в лучших случаях только частично вакуум достигается до затвердевания металла.

Понятно, что одним из факторов в процессе литья по выплавляемым моделям является то, что воздух или газ должны вытесняться из невентилируемой полости пресс-формы через инвестиционный материал с низкой пористостью под давлением расплавленного металла.

Существует достаточно практических доказательств того, что помощь со стороны центростремительной силы или атмосферного давления и гравитации достаточна для преодоления этой проблемы. Благоприятные результаты, если таковые имеются, сложного вращения и неэффективной вакуумной помощи, не оправдывают усложнение и стоимость таких гибридных машин.


При помощи информации: TheGoldSmiths