СОСТАВ КЕРАМИЧЕСКОГО СЛОЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ И ДРУГИХ ИЗДЕЛИЙ
COMPOSITION OF CERAMIC LAYER FOR MAKING MOULDS AND OTHER ARTICLES

Изобретение относится к составу керамического слоя для изготовления литейной формы и других изделий, в частности, предназначенных для литья по выплавляемым моделям.
Одним из основных условий получения отливок с прекрасными технологическими свойствами является обеспечение так называемого направленного и быстрого отверждения и естественного охлаждения отливок в литейной форме вместо нежелательного медленного объемного отверждения. Направленное отверждение позволяет получить компактную и мелкозернистую структуру отливок, гарантирующую прекрасные технологические свойства без таких дефектов литья, как усадочные раковины или пористость. Это особенно важно для сложных по форме отливок, которые имеют переменную толщину стенок и должны соответствовать высоким технологическим требованиям. В результате сокращается выпуск изделий с дефектами. Одним из способов, при котором возможно направленное отверждение отливки, является заполнение холодных литейных форм жидким металлом, однако этот способ трудно применить в случае литья по выплавляемым моделям.
В известной технологии изготовления отливок способом литья по выплавляемым моделям в оболочковых формах одной из основных операций является обжиг керамических форм при высокой температуре от 900 до 1200°С для обеспечения требуемой высокой прочности керамических форм в результате их спекания, а также для выжигания всех органических остатков. На практике в соответствии с этой технологией обожженные, не успевшие остыть формы заполняют жидким металлом. По этой технологии в качестве керамического материала чаще всего используют недорогой кварц, однако с учетом физических свойств формы необходимо заполнение жидким металлом сразу после прокаливания, пока температура поддерживается в диапазоне от 900°С до 1200°С. Из-за высокой температуры литейной формы во время заполнения отверждение и естественное охлаждение металла имеют нежелательный объемный характер, а отливки - менее благоприятные технологические свойства. Однако охлаждение форм перед их заполнением для обеспечения направленного отверждения может привести к растрескиванию и разрушению форм в процессе заполнения. Это связано со значительными изменениями размеров кварцевой керамики из-за изменений температуры, а также преобразованиями кристаллографической решетки кварцевой матрицы с понижением температуры. По этой причине при изготовлении прочных отливок, имеющих сложную форму с переменной толщиной стенок и обладающих прекрасными свойствами, литейные формы по указанной технологии изготавливают из керамического материала, стоимость которого значительно превышает стоимость кварца, например, из циркония или алоксита; после прокаливания керамические формы охлаждают до необходимой в соответствии с конкретной технологией температуры, обычно приблизительно до 300°С, в результате чего формы не разрушаются.
Оболочковые литейные формы, выполненные из состава, содержащего кварцевую керамическую матрицу, не являются особенно предпочтительными для изготовления отливок из алюминиевых сплавов по технологическим причинам, связанным с объемным характером отверждения. Такие формы невозможно применять для изготовления отливок из магниевых сплавов из-за большого сродства магния к присутствующему в кремнеземе кислороду. При заполнении форм жидким магниевым сплавом окисление сплава может привести к его воспламенению; кроме того, в ходе химических реакций кремний попадает в магниевый сплав в качестве вредного элемента.
Известные составы керамического слоя для изготовления литейной формы и других изделий содержат жидкую керамическую массу и керамический материал с подходящим распределением частиц по размеру в соответствии с технологическими требованиями. Предварительно нанесенную на модель жидкую керамическую массу обсыпают керамическим материалом, после сушки оба компонента образуют единый слой готовой керамической формы. Обычно формы имеют несколько, приблизительно до десяти, слоев. Последующие технологические операции включают удаление модели посредством плавления, сушку форм, а затем их прокаливание при высоких температурах, чаще всего от 900°С до 1200°С.
В PL 145903 описан состав слоев оболочковой керамической формы, изготовленной литьем по выплавляемым моделям, который содержит керамический материал в виде муллита и связующее - водный раствор алюмохромфосфата.
2
4
2
4
0,88
0,12
2
3
2
5
8
22
2
2
2
6
2
4
2
4
0,88
0,12
2
3
2
5
8
22
2
2
2
6
В соответствии с настоящим изобретением состав керамического слоя для изготовления литейной формы и других изделий, в частности, предназначенных для изготовления отливок способом литья по выплавляемым моделям, содержащий жидкую керамическую массу и керамический материал для обсыпки, характеризующийся тем, что указанный состав содержит жидкую керамическую массу, состоящую из, в масс. %, 50-75% керамического материала, представляющего собой смесь с распределением частиц по размеру, содержащую минимум 90% частиц размером менее 0,04 мм и следующий фазовый состав: 30-90% форстерита MgSiO, 5-15% фаялита FeSiO и 5-65% смеси компонентов фазы, таких как хризолит 2(MgFe)SiO, энстатит MgSiO, тремолит CaMgSiO(OH), рингвудит (Mg,Fe), диопсид Ca(Mg,Al)(Si,Al)O и другие, и 25-50% связующего, содержащего водный или водно-органический коллоидный раствор оксида металла и модификаторов, и керамический материал для обсыпки, представляющий собой смесь, имеющую следующий фазовый состав, в масс. %: 30-90% форстерита MgSiO, 5-15% фаялита FeSiO и 5-65% смеси компонентов фазы, таких как хризолит 2(MgFe)SiO, энстатит MgSiO, тремолит CaMgSiO(OH), рингвудит (Mg,Fe), диопсид Ca(Mg,Al)(Si,Al)O и другие.
2
В соответствии с настоящим изобретением состав керамического слоя для изготовления литейной формы и других изделий, в частности, предназначенных для изготовления отливок способом литья по выплавляемым моделям, характеризующийся тем, что максимальное содержание SiO в керамическом материале составляет 25 масс. % в пересчете на элемент Si.
Керамические изделия, в частности, литейные формы и другая продукция, состоят из нескольких, приблизительно до десяти, слоев; оптимальное количество слоев составляет от двух до восьми. Формы, изготовленные из состава по настоящему изобретению, используют для получения отливок из латуни, бронзы, чугуна, литой стали и, в частности, алюминиевых и магниевых сплавов.
2
Согласно изобретению формы и другие изделия, выполненные из состава для керамического слоя, после предварительного прокаливания при температуре от 800°С до 1250°С охлаждают до температуры окружающей среды или температуры ниже 300°С в соответствии с требованиями применяемой технологии и после заполняют жидким металлом без опасности повреждения форм. Литейные формы, изготовленные из состава по настоящему изобретению, обеспечивают направленное отверждение и естественное охлаждение отливок, что благоприятно сказывается на их качестве. Обеспечение направленного отверждения в таких формах позволяет использовать их для литья тонкостенных изделий и изделий сложной формы. Благодаря низкому содержанию SiO в керамической матрице, составляющему максимум 25% в пересчете на элемент Si, состав по настоящему изобретению можно использовать для изготовления литейных форм, в частности, для литья магниевых сплавов.
Примеры составов керамического слоя для изготовления литейной формы в соответствии с настоящим изобретением.
Пример 1
Состав керамического слоя для изготовления литейной формы, предназначенной для изготовления отливок из латуни, бронзы, чугуна и литой стали.
Состав керамического слоя I (масс. %):
2
2
4
2
4
- жидкая керамическая масса I: 28% связующего - водного раствора коллоидного диоксида кремния, содержащего 30% SiO + модификаторы, и 72% керамического материала, содержащего 90% частиц диаметром менее 0,04 мм и имеющего следующий фазовый состав: 62% форстерита MgSiO, 14% фаялита FeSiO, 24% других компонентов;
2
4
2
4
- керамический материал для обсыпки с распределением частиц по размеру 0,1-0,3 мм, имеющий фазовый состав: 62% форстерита MgSiO, 14% фаялита FeSiO, 24% других компонентов фазы.
Состав керамического слоя II (масс. %):
2
2
4
2
4
- жидкая керамическая масса II: 30% связующего - гидролизованного этилсиликата 40 (водно-спиртовой раствор коллоидного диоксида кремния, содержащий 16% SiO) и 70% керамического материала, содержащего 90% частиц с диаметром менее 0,04 мм и имеющего следующий фазовый состав: 62% форстерита MgSiO, 14% фаялита FeSiO и 24% других компонентов фазы;
2
4
2
4
- керамический материал для обсыпки, имеющий распределение частиц по размеру 0,1-0,3 мм и следующий фазовый состав: 62% форстерита MgSiO, 14% фаялита FeSiO и 24% других компонентов фазы.
Состав керамического слоя III и последующих керамических слоев (масс. %):
- жидкая керамическая масса, имеющая состав как у слоев I или II,
2
4
2
4
- керамический материал для обсыпки, имеющий распределение частиц по размеру 0,4-1,0 мм и фазовый состав: 62% форстерита MgSiO, 14% фаялита FeSiO, 24% других компонентов фазы.
Способ изготовления литейной формы
Способ изготовления слоя I формы: компоненты жидкой керамической массы смешивают в миксере в течение 24 часов. Восковые модели погружают в полученную суспензию жидкой керамической массы, кажущаяся вязкость которой составляет 300 сП (измерение с помощью воронки Форда с диаметром отверстия 5 мм). После удаления моделей и стекания избыточной жидкой керамической массы на следующем этапе модели обсыпают керамическим материалом. Слой I керамической формы сушат в условиях естественной конвекции в течение 8 часов.
Способ изготовления слоя II формы: компоненты жидкой керамической массы смешивают в миксере в течение 24 часов. Восковые модели погружают в полученную суспензию жидкой керамической массы, кажущаяся вязкость которой составляет 250 сП (измерение с помощью воронки Форда с диаметром отверстия 5 мм). После удаления моделей и стекания избыточной жидкой керамической массы на следующем этапе модели обсыпают керамическим материалом. Слой II керамической формы сушат в условиях естественной конвекции в течение 8 часов.
Способ изготовления последующих слоев (III-X) формы: слои изготавливают поочередно из керамических масс I и II. После погружения в суспензию моделей с двумя нанесенными керамическими слоями и стекания избыточного количества суспензии на следующем этапе модели тщательно обсыпают керамическим материалом с распределением частиц по размеру от 0,4 мм до 1,0 мм. Каждый слой после нанесения сушат в течение не менее 8 часов. Последний слой формы изготавливают из жидкой керамической массы I, имеющей вязкость 250 сП, без обсыпки керамическим материалом. После нанесения всех слоев форму сушат в течение 24 часов, затем восковую модель удаляют в автоклаве высокого давления. Полученную форму после повторной сушки и прокаливания при температуре 900°С для латуни или бронзы и 1100°С для чугуна или литой стали заполняют жидким металлом.
Пример 2
Состав керамического слоя для изготовления литейной формы, предназначенной для изготовления отливок из алюминиевых сплавов. Состав керамического слоя I (масс. %):
2
2
4
2
4
- жидкая керамическая масса I: 30% связующего - водного раствора коллоидного оксида циркония, содержащего 18% ZrO + модификаторы, и 70% керамического материала, содержащего 90% частиц с диаметром менее 0,04 мм и имеющего следующий фазовый состав: 48% форстерита MgSiO, 10% фаялита FeSiO, 42% других компонентов;
2
4
2
4
- керамический материал для обсыпки с распределением частиц по размеру 0,1-0,3 мм, имеющий фазовый состав: 62% форстерита MgSiO, 10% фаялита FeSiO, 28% других компонентов фазы.
Состав керамического слоя II (масс. %):
2
2
4
2
4
- жидкая керамическая масса II: 32% связующего - водного раствора коллоидного оксида циркония, содержащего 18% ZrO + модификаторы, и 68% керамического материала, содержащего 90% частиц с диаметром менее 0,04 мм и имеющего следующий фазовый состав: 65% форстерита MgSiO, 10% фаялита FeSiO, 25% других компонентов фазы;
2
4
2
4
- керамический материал для обсыпки, имеющий распределение частиц по размеру 0,1-0,3 мм и следующий фазовый состав: 65% форстерита MgSiO, 10% фаялита FeSiO, 25% других компонентов фазы.
Состав керамического слоя III и последующих керамических слоев (масс. %):
- жидкая керамическая масса, имеющая состав как у слоев I или II,
- керамический материал для обсыпки, имеющий распределение частиц по размеру 0,4-1,0 мм и фазовый состав как для обсыпки слоев I или II.
Способ изготовления литейной формы
Способ изготовления слоя I формы: компоненты жидкой керамической массы смешивают в миксере в течение 24 часов. Восковую модель погружают в полученную суспензию жидкой керамической массы, кажущаяся вязкость которой составляет 300 сП (измерение с помощью воронки Форда с диаметром отверстия 5 мм). После удаления модели из суспензии и стекания избыточной жидкой керамической массы на следующем этапе модель полностью обсыпают керамическим материалом. Первый слой керамической формы сушат в условиях естественной конвекции в течение приблизительно 8 часов.
Способ изготовления слоя II формы: компоненты жидкой керамической массы смешивают в миксере в течение 24 часов. Восковую модель погружают в полученную суспензию, кажущаяся вязкость которой составляет 200 сП (измерение с помощью воронки Форда с диаметром отверстия 5 мм). После удаления модели и стекания избыточной жидкой керамической массы на следующем этапе модель обсыпают керамическим материалом с распределением частиц по размеру от 0,1 до 0,3 мм. Второй слой керамической формы сушат в условиях естественной конвекции в течение приблизительно 8 часов.
Способ изготовления последующих слоев (III-X) керамической формы: слои изготавливают поочередно из керамических масс I и II. После погружения модели с двумя нанесенными керамическими слоями в суспензию жидкой керамической массы, удаления из суспензии и стекания избыточного количества жидкой массы на следующем этапе модель обсыпают керамическим материалом с распределением частиц по размеру от 0,4 мм до 1,0 мм. Каждый слой после нанесения сушат в условиях естественной конвекции не менее 8 часов. Последний слой формы изготавливают из жидкой керамической массы I, вязкость которой составляет 300 сП, без обсыпки керамическим материалом. После нанесения всех слоев форму сушат в течение 24 часов, затем восковую модель удаляют в автоклаве высокого давления. Полученную форму после повторной сушки и прокаливания при температуре около 800°С охлаждают до 250°С, а затем заполняют жидким алюминиевым сплавом.
Понижение температуры формы обеспечивает быстрое и направленное отверждение и естественное охлаждение отливок, а также получение желаемой мелкозернистой структуры высокопрочных отливок.
Пример 3
Состав керамического слоя для изготовления литейной формы, предназначенной для изготовления отливок из магниевых сплавов. Состав керамического слоя I (масс. %):
2
2
4
2
4
- жидкая керамическая масса I: 30% связующего - водного раствора коллоидного оксида циркония, содержащего 18% ZrO + модификаторы, и 70% керамического материала, содержащего 90% частиц диаметром менее 0,04 мм и имеющего следующий фазовый состав: 75% форстерита MgSiO, 10% фаялита FeSiO, 15% других компонентов;
2
4
2
4
- керамический материал для обсыпки с распределением частиц по размеру 0,1-0,3 мм, имеющий фазовый состав: 62% форстерита MgSiO, 12% фаялита FeSiO, 26% других компонентов фазы.
Состав керамического слоя II (масс. %):
2
2
4
2
4
- жидкая керамическая масса II: 32% связующего - водного раствора коллоидного оксида циркония, содержащего 18% ZrO + модификаторы, и 68% керамического материала, содержащего 90% частиц с диаметром менее 0,04 мм и имеющего следующий фазовый состав: 62% форстерита MgSiO, 12% фаялита FeSiO, 26% других компонентов фазы;
Состав керамического слоя III и последующих керамических слоев (масс. %):
- жидкая керамическая масса, имеющая состав как у слоев I или II,
- керамический материал для обсыпки, имеющий распределение частиц по размеру 0,4-1,0 мм и фазовый состав как для обсыпки слоев I или II.
Способ изготовления литейной формы
Способ изготовления слоя I формы: компоненты жидкой керамической массы смешивают в миксере в течение 24 часов. Восковую модель погружают в полученную суспензию жидкой керамической массы, кажущаяся вязкость которой составляет 300 сП (измерение с помощью воронки Форда с диаметром отверстия 5 мм). После удаления модели и стекания избыточной жидкой керамической массы на следующем этапе модель обсыпают керамическим материалом с распределением частиц по размеру 0,1-0,3 мм. Первый слой керамической формы сушат в условиях естественной конвекции в течение приблизительно 8 часов.
Способ изготовления слоя II формы: компоненты жидкой керамической массы смешивают в миксере в течение 24 часов. Восковую модель погружают в полученную суспензию, кажущаяся вязкость которой составляет 250 сП (измерение с помощью воронки Форда с диаметром отверстия 5 мм). После удаления модели и стекания избыточной жидкой керамической массы на следующем этапе модель обсыпают керамическим материалом с распределением частиц по размеру от 0,1 до 0,3 мм. Второй слой керамической формы сушат в условиях естественной конвекции в течение приблизительно 8 часов.
Способ изготовления последующих слоев (III-X) керамической формы
Последующие слои изготавливают поочередно из керамических масс I и II. После погружения модели с двумя нанесенными керамическими слоями в суспензию жидкой керамической массы, удаления из суспензии и стекания избыточного количества жидкой массы на следующем этапе модель обсыпают керамическим материалом с распределением частиц по размеру от 0,4 мм до 1,0 мм. Каждый слой сушат в условиях естественной конвекции не менее 8 часов. Последний слой формы изготавливают из жидкой керамической массы I, имеющей вязкость 300 сП, без обсыпки керамическим материалом. После нанесения всех слоев форму сушат в течение 24 часов, затем восковую модель удаляют в автоклаве высокого давления. Полученную форму после повторной сушки и прокаливания при температуре около 900°С охлаждают до температуры окружающей среды и оставляют на хранение. При необходимости формы нагревают до температуры 250-300°С, а затем заполняют жидким магниевым сплавом.
Низкая температура формы обеспечивает быстрое и направленное отверждение и естественное охлаждение отливок, а также получение желаемой мелкозернистой структуры высокопрочных отливок.
Пример 4
Состав керамического слоя для изготовления других изделий - керамического тигля.
Состав керамического слоя I (масс. %):
2
2
4
2
4
- жидкая керамическая масса I: 25% связующего - силикатного связующего, содержащего 21% SiO + модификаторы, и 75% керамического материала, содержащего 90% частиц диаметром менее 0,04 мм и имеющего следующий фазовый состав: 87% форстерита MgSiO, 7% фаялита FeSiO, 6% других компонентов;
2
4
2
4
- керамический материал для обсыпки с распределением частиц по размеру 0,1-0,3 мм, имеющий фазовый состав: 87% форстерита MgSiO, 7% фаялита FeSiO, 6% других компонентов фазы.
Состав керамического слоя II (масс. %):
2
2
4
2
4
- жидкая керамическая масса II: 28% связующего - силикатного связующего, содержащего 21% SiO + модификаторы, и 72% керамического материала, содержащего 90% частиц с диаметром менее 0,04 мм и имеющего следующий фазовый состав: 87% форстерита MgSiO, 7% фаялита FeSiO, 6% других компонентов;
2
4
2
4
- керамический материал для обсыпки, имеющий распределение частиц по размеру 0,1-0,3 мм и следующий фазовый состав: 87% форстерита MgSiO, 7% фаялита FeSiO, 6% других компонентов фазы.
Состав керамического слоя III и последующих керамических слоев (III-X) (масс. %):
2
2
4
2
4
- жидкая керамическая масса: 35% связующего - силикатного связующего, содержащего 21% SiO + модификаторы, и 65% керамического материала, содержащего 90% частиц с диаметром менее 0,04 мм и имеющего следующий фазовый состав: 87% форстерита MgSiO, 7% фаялита FeSiO, 6% других компонентов;
- керамический материал для обсыпки последующих слоев, имеющий распределение частиц по размеру 0,4-1,0 мм и фазовый состав как у слоев I и II.
Способ изготовления керамического тигля
Способ изготовления слоя I тигля: компоненты жидкой керамической массы I смешивают в миксере в течение 24 часов. Восковую модель тигля погружают в полученную суспензию жидкой керамической массы, кажущаяся вязкость которой составляет 350 сП (измерение с помощью воронки Форда с диаметром отверстия 5 мм). После удаления модели и стекания избыточной жидкой массы на следующем этапе модель обсыпают керамическим материалом с распределением частиц по размеру 0,1-0,3 мм. Первый слой керамического тигля сушат в условиях естественной конвекции в течение приблизительно 8 часов.
Способ изготовления слоя II тигля: компоненты жидкой керамической массы II смешивают в миксере в течение 24 часов. Восковую модель тигля погружают в полученную суспензию жидкой керамической массы, кажущаяся вязкость которой составляет 300 сП (измерение с помощью воронки Форда с диаметром отверстия 5 мм). После удаления модели и стекания избыточной жидкой массы на следующем этапе модель обсыпают керамическим материалом с распределением частиц по размеру 0,1-0,3 мм. Второй слой керамического тигля сушат в условиях естественной конвекции около 8 часов.
Способ изготовления последующих слоев (III-X) керамического тигля: последующие керамические слои изготавливают из жидкой керамической массы III, имеющей кажущуюся вязкость суспензии (жидкой керамической массы) 200 сП. Последний слой изготавливают из жидкой керамической массы II, имеющей вязкость 300 сП, без обсыпки керамическим материалом. После нанесения всех слоев тигель сушат в течение 24 часов, затем восковую модель, формирующую тигель, удаляют в автоклаве высокого давления. Полученный сырой тигель после повторной сушки и прокаливания при температуре 1250°С охлаждают до температуры окружающей среды и оставляют на хранение.
При необходимости используют изделия для выполнения работ при высокой температуре до 1250°С, например, для плавления металлов, заполнения литейных форм или прокаливания керамических материалов.