Способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям
METHOD OF MAKING CERAMIC SHELL MOLDS FOR CASTING ON MOLTEN MODELS

Изобретение относится к литейному производству, а именно, к изготовлению оболочковых форм по выплавляемым моделям при производстве точных отливок из черных и цветных сплавов.
Известен способ изготовления многослойной оболочковой формы по выплавляемым моделям, включающий образование многослойной формы из керамической суспензии на этилсиликатном связующем путем многократного окунания модели в суспензию, обсыпку каждого слоя прокаленным огнеупорным материалом, сушку каждого слоя, выплавление модели при воздействии по оболочку горячим воздухом и прокалку оболочки, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества форм за счет устранения трещин при выплавлении модели в горячем воздухе, горячий воздух подают со скоростью 10-20 м/с и одновременно с ним на модель воздействуют сухим насыщенным водяным паром в течение 2-20 мин, который после выплавления модели удаляют [1].
Однако известный способ имеет ряд недостатков, в частности, большое количество операций, связанных с подготовкой горячего воздуха и сухого насыщенного водяного пара, а также необходимость наличия специального оборудования, позволяющего регулировать скорость воздушного потока.
Известен способ упрочнения многослойных оболочковых форм, получаемых по выплавляемым моделям, включающий псевдоожижение обсыпочного материала, введение в него модельного блока, уплотнение обсыпочного материала вокруг модельного блока после прекращения псевдоожижения, отверждение каждого слоя формы в уплотненном обсыпочном материале, возобновление псевдоожижения, извлечение модельного блока из обсыпочного материала, отличающийся тем, что с целью повышения прочности керамики отверждение каждого слоя формы осуществляют под давлением сжатого воздуха. Пескосып для упрочнения многослойных оболочковых форм, содержащий открытый сверху корпус, камеру, сообщенную с системой сжатого воздуха и расположенную под днищем корпуса, отличается тем, что он снабжен крышкой, соединенной трубопроводами с системой подачи сжатого воздуха [2].
Известный способ имеет ряд недостатков, заключающихся в высокой трудоемкости реализации способа, необходимости использования сжатого воздуха, а также необходимости изготовления пескосыпа специальной конструкции для упрочнения многослойных оболочковых форм.
3
Наиболее близким к изобретению является способ изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, включающий обработку модельного блока в огнеупорной суспензии, в котором первые один или два слоя выполнены с использованием в качестве связующего гидролизованного раствора этилсиликата и пылевидного диоксида кремния в качестве наполнителя, а последующие слои – с использованием в качестве связующего жидкого стекла и пылевидного диоксида кремния в качестве наполнителя, и последующую обсыпку модельно-керамического блока зернистым материалом на основе диоксида кремния, отличающийся тем, что пылевидный диоксид кремния как наполнитель используют в фазе тридимита с размером фракции до 100 мкм, а зернистый диоксид кремния используют также в фазе тридимита с размером зерен 100-400 мкм. После нанесения первых двух слоев с использованием в качестве связующего гидролизованного раствора этилсиликата наносят разделительный слой на основе алюмоборфосфатного концентрата плотностью 1,25-1,30 г/см. Зернистый материал плакируют алюмоборфосфатным концентратом в количестве 3-5% от массы зернистого материала [3].
Однако способ имеет ряд недостатков, к которым относятся прежде всего повышенная трудоемкость получения обсыпочного материала на основе диоксида кремния в фазе тридимита, связанная с необходимостью дробления исходного материала (динас со структурой тридимита), либо проведение длительного высокотемпературного обжига диоксида кремния в низкотемпературных фазах α- и β-кварца с последующим дроблением, просеиванием и классификацией до необходимого размера зерен, сопровождающимися сильным пылевыделением. Другим недостатком способа является  сложность введения в третий слой оболочки дополнительного связующего в виде алюмоборфосфатного концентрата заданной плотности, а также необходимость дополнительной операции плакирования обсыпочного материала.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решается задача совершенствования технологического процесса в части использования в составе материала оболочковой формы вещества, обеспечивающего повышение трещиноустойчивости опорных слоев оболочковой формы, в которых в качестве связующего используется жидкое стекло, а в  качестве наполнителя – пылевидный кварц.
Технический результат – повышение трещиноустойчивости оболочковых форм, повышение экологичности процесса, снижение его трудоемкости за счет сокращения числа производственных операций изготовления оболочковых форм по сравнению с прототипом при обеспечении стабильного качества оболочек и получаемого литья.
Технический результат достигается тем, что согласно способу изготовления керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, включающему обработку модельного блока в огнеупорной суспензии, в котором первые один или два слоя выполнены с использованием в качестве связующего гидролизованного раствора этилсиликата и пылевидного диоксида кремния в качестве наполнителя, а последующие слои – с использованием в качестве связующего жидкого стекла и пылевидного диоксида кремния в качестве наполнителя, и последующую обсыпку модельно-керамического блока зернистым материалом на основе диоксида кремния, в материал огнеупорной обсыпки опорных слоев оболочковой формы вносится технологическая добавка на основе порошкообразных карбонатов или гидрокарбонатов аммония в количестве 5-10% масс. от материала обсыпки.
Введение в материал огнеупорной обсыпки опорных слоев оболочковой формы указанной технологической добавки обеспечивает ее полное разложение с образованием газообразных продуктов по следующим химическим реакциям:
4
2
3
3
2
2
(NH)CO = 2NH↑+ HO↑+ CO↑
4
3
3
2
2
NHHCO = NH↑+ HO↑+ CO↑.
Во время операций сушки и прокаливания оболочки происходит образование летучего диоксида углерода, способствующего упрочнению материала формы на жидкостекольном связующем. При этом газообразные продукты реакции самостоятельно удаляются из оболочковой формы без использования специального оборудования.
Содержание технологической добавки на основе порошкообразных карбонатов или гидрокарбонатов аммония в количестве менее 5,0% от массы обсыпки не обеспечивает достаточного упрочнения материала формы. Содержание технологической добавки на основе порошкообразных карбонатов или гидрокарбонатов аммония в количестве более 10,0% от массы обсыпки повышает вероятность разрушения опорных слоев оболочковой формы из-за высокой пористости, а также возможного брака литья по газовым дефектам.
Пример осуществления способа.
Изготавливались шестислойные оболочковые формы, четыре слоя которых являлись опорными. Для  изготовления  огнеупорной суспензии двух первых рабочих слоев оболочковой формы использовалось готовое связующее ГС-20Э ТУ 6-02-1-046-95 и маршалит (пылевидный кварц) марки А и Б по ГОСТ 9077-82. Вязкость суспензии контролировалась вискозиметром ВЗ-4 ГОСТ 9070–75 и составляла 55-60 сек.
3
Для получения  огнеупорной суспензии опорных слоев применялось натриевое жидкое стекло плотностью 1,25 г/см с модулем 2,8. Вязкость суспензии контролировалась вискозиметром ВЗ-4 ГОСТ 9070–75 и составляла 15-25 сек.
2
2
1
1
В качестве зернистого материала для обсыпки первых двух слоев применялся кварцевый песок марки 1КО02 ГОСТ 2138-91. Для изготовления последующих слоев использовали кварцевый песок марки 1КО03 ГОСТ 2138-91.
Равномерное покрытие поверхности модельного блока огнеупорной суспензией проводилось послойно путём 2-3-кратного погружения блока в рабочую емкость гидролизёра с целью удаления пузырьков воздуха с поверхности блока и предоставления возможности стекания избытку суспензии. В состав материала огнеупорной обсыпки опорных слоев оболочковой формы вводилась технологическая добавка на основе порошкообразных карбонатов (или гидрокарбонатов) аммония в количестве 3-12% масс. от материала обсыпки. Обсыпка зернистым материалом всех слоев оболочковой формы осуществлялась в псевдокипящем потоке в пескосыпе.
Вакуумно-аммиачную сушку каждого слоя проводили в камере, при этом общий цикл сушки каждого слоя 24 мин. Вытопка моделей осуществлялась горячей водой при температуре 90-99°С. Далее осуществлялась прокалка оболочковых форм без опорного наполнителя в прокалочной печи СНО 8.5.17.5/12 по режиму: нагрев до 900°С со скоростью не более 150°С  в час  с выдержкой при температурном максимуме 3,0-4,0 ч.
В многослойных оболочковых формах изготавливались отливки «Кронштейн» массой 135 г из стали 20Х13Л ГОСТ 977-88 (по десять отливок в форме). Проводился визуальный контроль качества оболочковых форм на наличие трещин. Заливка форм металлом проводилась без опорного наполнителя при температуре 1580-1620°С. На всех этапах производственного процесса проводился контроль содержания в воздухе паров аммиака с помощью переносного многокомпонентного газоанализатора «Полар». Контроль пылевыделения осуществлялся с помощью переносного взрывозащищенного пылемера ИКВЧ-ВЗ. Превышения ПДК по пыли и парам аммиака зафиксировано не было.
Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно предлагаемому способу, представлены в таблице 1.
Испытания показали высокие эффективность, экологичность предлагаемого способа и качество оболочковых форм, а также получаемых отливок при количестве вводимой технологической добавки 5-10% масс. от материала обсыпки.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №1141643, кл. В22 С9/04, 9/12, 1997.
2. Патент на изобретение РФ №2001711, кл. В22 С9/12, 1991.
3. Патент на изобретение  РФ №2302311, кл. В22 С9/04, 2007 – прототип.
Таблица 1
Содержание карбонатов (NH<sub>4</sub>)<sub>2</sub>CO<sub>3</sub> или гидрокарбонатов аммония NH<sub>4</sub>HCO<sub>3 </sub>в обсыпке,% масс.
Оценка качества оболочковых форм
Выход годных отливок, %
Примечания
3,0
Неудовлетворительное: трещины на поверхности оболочковых форм
0
Формы не заливались из-за высокой вероятности разрушения
4,0
Неудовлетворительное: трещины на поверхности оболочковых форм
0
Формы не заливались из-за высокой вероятности разрушения
5,0
Удовлетворительное
100
Качество отливок удовлетворительное
6,0
Удовлетворительное
100
Качество отливок удовлетворительное
7,0
Удовлетворительное
100
Качество отливок удовлетворительное
8,0
Удовлетворительное
100
Качество отливок удовлетворительное
9,0
Удовлетворительное
100
Качество отливок удовлетворительное
10,0
Удовлетворительное
100
Качество отливок удовлетворительное
11,0
Удовлетворительное
80,0
Газовая пористость в теле отливки
12,0
Удовлетворительное
60,0
Газовая пористость в теле отливки