СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ
METHOD OF MAKING SHELL CERAMIC MOLDS

Изобретение относится к литейному производству, а именно к получению отливок по удаляемым (выплавляемым, выжигаемым, газифицируемым) моделям.
Известна суспензия для изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям, включающая огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния, фосфатное связующее, жидкое стекло, воду и серную кислоту, отличающаяся тем, что с целью сокращения продолжительности сушки суспензии и повышения ее прочности после обжига она дополнительно содержит алюминиево-калиевые квасцы при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: фосфатное связующее 9,0-13,0; жидкое стекло 3,0-7,0;  вода 17,0-21,0; серная кислота 1,1-1,7; алюминиево-калиевые квасцы 0,05-0,15; огнеупорный наполнитель на основе диоксида кремния - остальное; в качестве фосфатного связующего используют алюмохромфосфатное или алюмоборфосфатное связующее [1].
Однако суспензия имеет ряд недостатков. Введение алюминиево-калиевых квасцов в суспензию  может создавать трудности при ее нанесении на модельный блок, связанные с возможным образованием комков в результате недостаточно полного растворения квасцов в суспензии по причине их низкой растворимости в воде без дополнительного нагрева. Кроме того, алюминиево-калиевые квасцы могут существенно снижать смачивающую способность суспензии по причине своей гидрофильности.
Известен способ сушки оболочковых форм путем обдува слоев керамического покрытия двумя потоками воздуха с разными скоростями и влажностью 10-60%, отличающийся тем, что с целью уменьшения времени сушки и снижения расхода электроэнергии каждый слой, начиная со второго, обдувают co скоростью 4-9 м/с, а затем с такой скоростью, как и для первого слоя; скорость воздуха для обдува первого слоя керамического покрытия принимают равной 1,5-3,5 м/с [2].
Однако известный способ имеет ряд недостатков. Повышается трудоемкость операции сушки оболочковых форм, обусловленная необходимостью проведения обдува слоев формы воздушными потоками с различными скоростями. Кроме того, для поддержания оптимальных скоростей воздушных потоков и контроля влажности воздуха требуется применение специальных вентиляторов, регуляторов и контрольно-измерительных приборов.
3
3
9
Известен способ изготовления многослойных оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, включающий нанесение на блок выплавляемых моделей слоев суспензии на этилсиликатном связующем и слоев, полученных на жидкостекольном связующем, обсыпку зерновым огнеупорным материалом каждого слоя, сушку слоев, отличающийся тем, что в качестве обсыпочного огнеупорного материала используют кварцевый песок с добавлением в него зернового волластонита или гранулированного шлака доменного или конвертерного производства, содержащих преимущественно соединения оксидов кальция и кремния в виде Са[SiO], в количестве от 2,5 до 97,5 мас.% [3].
Известный способ не лишен недостатков. Природный волластонит - дефицитный материал, на территории Российской Федерации добывается в ограниченных количествах. В состав природного волластонита входит до 10% окислов железа в виде примесей, поэтому требуется их удаление и обогащение данного материала. Производство синтетического волластонита в России в настоящее время  является опытным, поэтому имеет место зависимость от зарубежных поставок. Кроме того, во входящих в состав обсыпочного огнеупорного материала гранулированных шлаках доменного или конвертерного производства имеется большое количество свободного железа и его окислов. В этой связи при контакте с суспензией в ней может образовываться гидроокись железа, снижающая ее кроющую способность при нанесении на модельный блок, а также вызывающая набухание и расслоение стенок формы при последующих прокаливании оболочек и их заливке металлическим расплавом.
Наиболее близким к изобретению является способ изготовления оболочковых керамических форм для производства точных отливок по удаляемым моделям, включающий послойное нанесение оболочек путем погружения модели в суспензию огнеупорного наполнителя в растворе связующего и последующей обсыпки зернистым материалом, удаление моделей и прокалку оболочек, отличающийся тем, что после обсыпки производят коацервацию каждого слоя, кроме последнего [4].
Однако известный способ имеет недостатки. Повышается трудоемкость технологического процесса изготовления оболочковых керамических форм по причине введения дополнительных операций - коацервации слоев оболочки, связанной с аэрозольным напылением растворов высокомолекулярных веществ, а также подготовки этих растворов. Кроме того, для реализации способа необходимо применение специального оборудования, обеспечивающего получение аэрозоля, а собственно операция распыления растворов высокомолекулярных веществ снижает экологическую безопасность процесса. Помимо этого, эффект коацервации нестабилен, что связано с трудностями дозирования необходимого количества коацервата и подготовки раствора для получения эффекта в течение заданного времени, а также обеспечения требуемого уровня характеристик аэрозоля.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решается задача совершенствования технологического процесса в части использования в составе материала оболочковой формы вещества, обеспечивающего уменьшение числа производственных операций изготовления оболочковых форм по сравнению с прототипом и сокращение времени сушки каждого слоя многослойной оболочковой формы по сравнению с традиционной схемой литья по выплавляемым моделям, предусматривающей выдержку на воздухе после нанесения каждого слоя в течение длительного времени (2-4 часа при использовании сушил с кондиционированием воздуха [5] и 5-6 часов для этилсиликатного связующего и не менее 10 часов для жидкостекольного связующего без использования сушил при выдержке на открытом воздухе по производственным данным), что снижает трудоемкость технологического процесса литья по выплавляемым моделям в целом.
Технический результат - повышение экологичности процесса за счет отказа от аэрозольного распыления растворов высокомолекулярных веществ, сокращение числа производственных операций изготовления оболочковых форм по сравнению с прототипом и сокращение производственного цикла изготовления форм по сравнению с традиционной схемой литья по выплавляемым моделям при обеспечении стабильного качества оболочек.
Технический результат достигается тем, что согласно способу изготовления оболочковых керамических форм для производства точных отливок по удаляемым моделям, включающему послойное нанесение оболочек путем погружения модели в суспензию огнеупорного наполнителя в растворе связующего и последующей обсыпки зернистым материалом, коацервацию каждого слоя, кроме последнего, удаление моделей и прокалку оболочек, коацерват вводят в состав огнеупорного обсыпочного материала в количестве 0,5-1,5 % масс.; в качестве коацервата применяются квасцы.
Введение коацервата в состав огнеупорного обсыпочного материала позволяет исключить дополнительную операцию аэрозольного напыления раствора коацервата после обсыпки каждого слоя, кроме последнего, совместить процесс гелеобразования с нанесением обсыпки и повысить экологичность процесса. При этом исключается необходимость предварительного приготовления раствора коацервата.
<mrow><msubsup><mi>M</mi><mn>2</mn><mo>+</mo></msubsup><mi>S</mi><msubsup><mi>O</mi><mn>4</mn><mrow><mn>2</mn><mo>−</mo></mrow></msubsup><msubsup><mi>M</mi><mn>2</mn><mrow><mn>3</mn><mo>+</mo></mrow></msubsup><msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>S</mi><msub><mi>O</mi><mn>4</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>3</mn><mrow><mn>2</mn><mo>−</mo></mrow></msubsup><mo>⋅</mo><mn>24</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow>
<mrow><msup><mi>M</mi><mo>+</mo></msup><msup><mi>M</mi><mrow><mn>3</mn><mo>+</mo></mrow></msup><msubsup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>S</mi><msub><mi>O</mi><mn>4</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn><mrow><mn>2</mn><mo>−</mo></mrow></msubsup><mo>⋅</mo><mn>12</mn><msub><mi>H</mi><mn>2</mn></msub><mi>O</mi></mrow>
<mrow><mi>N</mi><msubsup><mi>H</mi><mn>4</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow>
<mrow><mi>C</mi><msub><mi>H</mi><mn>3</mn></msub><mi>N</mi><msubsup><mi>H</mi><mn>3</mn><mo>+</mo></msubsup></mrow>
+
3+
+
Квасцы, применяемые в качестве коацервата, представляют собой двойные соли, кристаллогидраты сульфатов трех- и одновалентных металлов общей формулы
или
, где M - один из щелочных металлов (литий, натрий, калий, рубидий или цезий), а M - один из трехвалентных металлов (обычно алюминий, хром или железо(III)). В роли Mмогут также выступать ионы аммония (
) или замещенные ионы аммония (например,
).
Гидрофильность квасцов позволяет в кратчайшие сроки обеспечивать гелеобразование, предотвращая тем самым смывание нанесенного слоя при последующем погружении в суспензию огнеупорного наполнителя в растворе связующего. При этом  химическая природа связующего не изменяется, что сохраняет его клеящую способность и, как следствие, обеспечивает высокие прочностные свойства материала оболочки. В то же время минимизируется вероятность набухания предыдущего слоя при смачивании его последующим, ведущего к короблению и вспучиванию оболочки.
Кроме того, в ходе последующего прокаливания оболочковой формы присутствие квасцов способствует достижению максимальных значений прочности формы за счет потери кристаллизационной воды при термическом воздействии.
Содержание квасцов в количестве менее 0,5% от массы обсыпки не обеспечивает указанных эффектов и резко снижает качество оболочковой формы по короблению и отслаиванию. Содержание квасцов в количестве более 1,5% от массы обсыпки способствует насыщению материала формы сульфатными соединениями, снижает экологическую безопасность процесса и экономически нецелесообразно.
Пример осуществления способа
Для  изготовления  огнеупорной суспензии использовалось готовое связующее ГС-20Э ТУ 6-02-1-046-95 и маршалит (пылевидный кварц) марки А и Б по ГОСТ 9077-82. При необходимости для доводки связующего до рабочей вязкости использовалась добавка азотной кислоты.
2
2
4
2
2
1
1
1
1
В качестве зернистого материала для обсыпки первого слоя применялся кварцевый песок марки 1КО02 ГОСТ 2138-91 с добавлением порошка алюмокалиевых квасцов ГОСТ 15028-77 (химическая формула KAl(SO)·12HO) в количестве 0,5-1,5% от массы обсыпки. Для изготовления последующих слоев, кроме последнего, использовали кварцевый песок марки 1КО03 ГОСТ 2138-91 с добавлением такого же количества порошка алюмокалиевых квасцов. Для изготовления последнего слоя применяли кварцевый песок марки 1КО03 ГОСТ 2138-91 без добавления квасцов.
Равномерное покрытие поверхности модельного блока огнеупорной суспензией проводилось послойно путем 2-3-кратного погружения блока в рабочую емкость гидролизера с целью удаления пузырьков воздуха с поверхности блока и предоставления возможности стекания избытка суспензии. Обсыпка зернистым материалом всех слоев оболочковой формы, кроме последнего, осуществлялась в псевдокипящем потоке в пескосыпе.
Сушку каждого слоя проводили на воздухе при температуре 22-28°С и влажности не выше 60%.  Общее количество слоев оболочковой формы - пять.
При формировании каждого слоя формы на воздухе алюмокалиевые квасцы в течение относительно короткого времени связывают кристаллизационную воду, что позволяет наносить слои друг за другом с временными интервалами на выдержку каждого слоя 2,0-2,5ч.
Вытопка моделей осуществлялась горячей водой при температуре 90-99°С. Затем проводилась формовка оболочковых форм в прокалочные опоки с использованием в качестве наполнителя измельченного керамического боя оболочек. Прокаливание оболочковых форм в опорном наполнителе осуществлялось в прокалочной печи СНО 8.16.5/10И2.
Испытания показали  эффективность предлагаемого способа при высоком качестве оболочковых форм.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1507510, кл. В22 С9/00, 9/12, 1989.
2. Авторское свидетельство  СССР №1445848, кл. В22 С9/04, 9/12, 1988.
3. Патент на изобретение РФ №2368452 , кл. B22 C1/04, 2009.
4. Патент на изобретение  РФ №2025192, кл. В22 С9/04, 1994 - прототип.
5. Литье по выплавляемым моделям / Я.И. Шкленник [и др.]; под ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова. - М.: Машгиз, 1961. - 455 с.