Суспензия для изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям
SUSPENSION FOR MAKING SHELL MOLDS IN CASTING ON MOLTEN MODELS

Изобретение относится к литейному производству, в частности к суспензиям для изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям.
В литье по выплавляемым моделям широко известно применение для изготовления керамических оболочковых форм суспензий на основе гидролизованных растворов этилсиликата, в которых в качестве растворителя этилсиликата используют органические растворители ацетон или этиловый спирт (Литье по выплавляемым моделям / В.Н.Иванов и другие. Под общей редакцией Я.И. Шкленника и В.А. Озерова - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - С.190-192).
Недостатками известных из литературы суспензий на основе связующего материала в виде гидролизованных органическими растворителями растворов этилсиликата (ГРЭТС) являются высокий брак оболочек по трещинам и разрушениям из-за недостаточной их прочности и термостойкости, а также высокий брак отливок по газовым раковинам, связанный с низкой газопроницаемостью и высокой газотворностью керамических оболочек. Для повышения прочности, термостойкости, газопроницаемости и снижения газотворной способности оболочковых форм, изготовляемых из суспензий на основе ГРЭТС, в составах суспензий широко применяют различные технологические добавки.
Известна суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям [1], которая для повышения прочности и термостойкости керамических форм, сформированных из суспензий на основе этилсиликата, содержит в качестве растворителя этилсиликата органический растворитель ацетон или этиловый спирт и технологические добавки из смесей материалов с низкой температурой плавления с добавкой тугоплавких соединений с высокой температурой плавления, которые при нагреве способствуют повышению прочности и термостойкости силикатной керамики при высоких температурах.
Недостатком этой суспензии является трудность подбора и регулирования состава технологических добавок из материалов с разной температурой плавления, что не обеспечивает надежного повышения прочности и термостойкости оболочек и улучшения качества получаемых в них отливок.
Также известен способ изготовления форм по выплавляемым моделям [2], по которому при изготовлении форм используют суспензию, в которой для улучшения качества оболочек применяют поверхностно-активное вещество (ПАВ) в виде лигносульфоната, а в качестве технологической добавки - магнийсиликатный порошок.
Недостаток этого способа и суспензии состоит в том, что применяемое в суспензии ПАВ в виде лигносульфоната имеет высокую газотворность и приводит к повышению количества газовых раковин в отливках.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является суспензия для изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям, в которой с целью увеличения прочности оболочек, повышения термостойкости и трещиностойкости керамики при прокалке и заливке оболочек в ее состав вводится хлористый алюминий [3]. Суспензия для изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям включает этилсиликат, растворитель и разбавитель - воду, поверхностно активное вещество - сульфонол, катализатор гидролиза - соляную кислоту, упрочнитель - алюмометилсиликонат натрия, упрочнитель - дисперсный кремнезем - пыль от электрофильтров ферросплавных печей, технологическую добавку в виде хлористого алюминия и пылевидный огнеупорный наполнитель при следующих соотношениях ингредиентов, мас.%:
Этилсиликат
4,0-11,7
Вода
18,0-22,7
Поверхностно-активное вещество
0,1-1,5
Соляная кислота
0,1-0,5
Алюмометилсиликонат натрия
0,1-1,5
Электрофильтровальная пыль
ферросплавных печей (ЭП)
12,5-0,5
Хлористый алюминий
0,3-2,5
Пылевидный огнеупорный наполнитель
остальное
Недостатками известной суспензии являются: применение компонентного состава суспензии, который обеспечивает проведение лишь, так называемого водного гидролиза этилсиликата; применение в качестве растворителя этилсиликата воды снижает прочность оболочковых форм на основе ГРЭТС; технологическая добавка в виде хлористого алюминия из-за несовместимости с алюмометилсиликонатом натрия разлагается в суспензии уже при ее приготовлении, в результате чего ухудшаются свойства суспензии. Применяемый в составе суспензии алюмометилисликонат натрия при разложении оставляет в керамической оболочке значительное количество органических остатков, которые увеличивают газотворность керамики и также ухудшают прокаливаемость оболочек.
Задачей изобретения является создание такой суспензии, которая обеспечивала бы повышение прочности, термостойкости и газопроницаемости керамических оболочковых форм, уменьшение газотворности керамики и брака отливок по газовым раковинам.
Техническое решение достигается тем, что суспензия для изготовления керамических оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям, включающая этилсиликат, растворитель и разбавитель - воду, соляную кислоту, ЭП, пылевидный огнеупорный наполнитель, согласно изобретению дополнительно содержит технологическую добавку - жидкий отход химической очистки оцинкованного стального лома от цинкового покрытия в виде водного раствора хлорида цинка, ортофосфорную кислоту, ацетон или этиловый спирт при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Этилсиликат
8,0-15,0
Ацетон или спирт
11,0-18,0
Вода
1,0-5,5
Соляная кислота
0,2-0,8
ЭП
0,5-5,0
Ортофосфорная кислота
0,2-1,5
Хлористый алюминий
0,3-2,5
Жидкий отход химической очистки
оцинкованного стального лома от
цинкового покрытия в виде водного
раствора хлорида цинка
1,5-6,0
Огнеупорный наполнитель
остальное
Сущность изобретения состоит в следующем.
При нагревании (просушке оболочек) водный раствор хлорида цинка гидролизуется, образуя коллоидный гидрооксид цинка, который обеспечивает ускорение сушки суспензии на воздухе, повышает гидростойкость и прочность оболочек в горячей воде, приводит к релаксации напряжений при прокалке и заливке керамических форм. Это позволяет сократить по времени цикл формообразования оболочек, уменьшить вероятность разрушения оболочек при выплавке моделей в горячей воде, уменьшить вероятность разрушения оболочек при прокалке и заливке форм металлом, повысить качество и размерную точность отливок.
В процессе прокаливания оболочек из гидрооксида цинка образуется оксид цинка,  который образовывает в керамическом материале прослойки между частицами кремнезема, способствующие замедлению их кристаллизации при прокалке и обеспечивает релаксацию напряжений при термических деформациях огнеупорного наполнителя, чем способствует повышению термостойкости этилсиликатных оболочек. Кроме этого, в процессе прокаливания оболочек, оксид цинка может частично возгоняться, увеличивая тем самым пористость формы и ее газопроницаемость.
Таким образом, применение в составе суспензии технологической добавки - жидкого отхода химической очистки оцинкованного стального лома от цинкового покрытия в виде водного раствора хлорида цинка позволяет сократить по времени цикл формообразования оболочек, уменьшить вероятность разрушения оболочек при выплавке моделей в горячей воде, уменьшить вероятность разрушения оболочек при прокалке и заливке форм металлом, повысить качество и размерную точность отливок. Также позволяет увеличить пористость и газопроницаемость формы.
Применение в составе суспензии ортофосфорной кислоты обеспечивает нейтрализацию щелочных компонентов (кальция, натрия, калия) и оксида железа в дисперсном кремнеземе - пыли от электрофильтров ферросплавных печей.
Применение в составе суспензии совместно с водой органических растворителей ацетона или этилового спирта позволяет увеличить прочность оболочковых форм по сравнению с суспензиями, где в качестве растворителя этилсиликата используется только вода.
Пример реализации изобретения.
Для приготовления суспензии использовали следующие компоненты, мас.%:
Этилсиликат
9,0
Ацетон или спирт
12,2
Вода
4,0
Соляная кислота
0,3
ЭП
4,0
Ортофосфорная кислота
0,5
Жидкий отход химической очистки
оцинкованного стального лома от
цинкового покрытия в виде водного
раствора хлорида цинка
3,0
Огнеупорный наполнитель
Остальное
o
o
o
Гидролиз этилсиликата проводили совмещенным способом при приготовлении суспензии. Вязкость суспензии для первого слоя составляла 80-90 секунд, для последующих слоев - 35-50 секунд. Сушку каждого слоя проводили в камерах сушки в течение 2,2 часов при температуре 26...27C и относительной влажности 45-50%. Модели из оболочек удаляли выплавкой в горячей воде при 97-98C. Готовые формы прокаливали при температуре 850-900C в течение 4 часов.
Контролировали свойства: прочность образцов после сушки, прочность после выплавки моделей, термостойкость по «горячей прочности» при нагреве до 900°С, газотворность образцов при нагреве до 900°С, газопроницаемость образцов при 20°С после предварительной прокалки при 900°С в течение 30 минут и последующего охлаждения.
Прочность образцов после сушки и выплавки моделей определяли на стандартных приборах.
Термостойкость оболочек оценивалась по горячей прочности при изгибе после нагрева образцов до заданной температуры.
Газотворность определяли при нагреве на приборе с печью «Марса» и системой определения количества выделяющегося газа.
Газопроницаемость образцов фиксировали на стандартном приборе для определения газопроницаемости плоских образцов диаметром 50 мм с повышенным давлением просасывания через образец воздуха 1,5 атм.
Результаты испытания представлены в таблице 1 и 2.
Таблица 1 Составы испытанных суспензий
Наименование ингредиентов
Содержание ингредиентов по примерам, мас.%
1 (прототип)
2
3
4
5
6
ЭТС
6,2
8,0
9,0
10,0
12,0
15,0
Ацетон
-
11,0
12,2
14,0
16,0
18,0
АМСР
0,8
-
-
-
-
ПАВ (сульфонол)
0,1
-
-
-
-
Вода
18,0
5,5
4,0
3,0
2,0
1,0
Соляная кислота
0,25
0,2
0,3
0,45
0,6
0,8
ЭП
7,5
5,0
4,0
3,0
2,0
0,5
Ортофосфорная кислота
-
0,2
0,5
0,7
1,1
1,5
Хлорид алюминия
1,2
-
-
-
-
Жидкий отход
-
1,5
3,0
4,0
5,0
6,0
Огнеупорный наполнитель
остальное
Таблица 2 Физико-механические свойства
Наименование свойств
Результаты испытаний по составам
1 (прототип)
2
3
4
5
6
Прочность после вытопки, МПа
6,5
6,8
7,2
6,4
7,6
8,2
Горячая прочность при 900°С, МПа
5,12
6,2
6,5
5,9
6,3
6,9
Прочность после 3 циклов теплосмен, МПа
0,58
0,71
0,66
0,69
0,66
0,72
Газопроницаемость, ед.
8,5
9,5
10,5
11,0
10,5
10,0
Газотворность, см<sup>3</sup>/г
11,5
10,8
9,6
9,1
10,2
9,8
Нижний предел содержания ЭТС принят 8 мас.%, так как при меньшем содержании прочность керамики сильно снижается и, при изготовлении сложных по конфигурации оболочек, может привести к их разрушению. Содержание ЭТС более 15 мас.% экономически нецелесообразно, ввиду того, что достигаемая прочность керамики достаточно высока для самых сложных по конфигурациям оболочек.
Количество растворителя (ацетон или этиловый спирт) принимается в соответствии с количеством ЭТС. При содержании ЭТС 8 мас.% требуется 11 мас.% ацетона, при содержании ЭТС 15 мас.% требуется 18 мас.% ацетона.
Содержание ЭП принимается в соответствии с содержанием ЭТС: чем меньше содержание ЭТС, тем необходимо больше вводить ЭП. Для содержания ЭТС в суспензии 8 мас.% необходимая прочность керамики достигается при содержании ЭП 5,0 мас.%. Более высокое содержание ЭП экономически нецелесообразно. При содержании ЭТС 15,0 мас.% содержание ЭП 0,5 мас.% обеспечивает необходимые прочность и газопроницаемость керамики.
Верхний и нижний пределы содержания соляной кислоты приняты по рекомендуемым расчетам (Литье по выплавляемым моделям // Под. общ. ред. Я.И. Шкленника и В.А.Озерова / 3 изд. перер. и доп. - М.: Машиностроение. -1984.- С. 216). При этом 0,2 мас.% применяют при содержании ЭТС в суспензии 8 мас. %, а 0,8 мас.% при его содержании 15,0 мас.%.
Использование в составах суспензий ортофосфорной кислоты совместно с дисперсным кремнеземом в виде пыли ферросплавных печей во всех случаях обеспечивает повышение физико-механических свойств оболочек. Однако из экономических соображений верхний предел содержания ортофосфорной кислоты ограничен 1,5 мас.%.
Количество воды принимается в зависимости от количества жидкого отхода, добавляемого в суспензию. Чем больше жидкого отхода вводится в суспензию, тем меньше требуется воды добавлять в суспензию. При добавлении 1,5 мас.%  жидкого отхода требуется 5,5 мас.% воды, при добавлении ЭТС 6 мас.% жидкого отхода требуется 1 мас.% воды.
Количество жидкого отхода ограничено 6,0 мас.%, ввиду того, что при большем количестве жидкого отхода, вводимого в суспензию, увеличивается количество воды, вводимого в составе жидкого отхода, что снижает вязкость суспензии и приводит к уменьшению толщины наносимого на модель слоя суспензии, уменьшению общей толщины оболочки и ее прочности.
Результаты испытания, приведенные в таблице 2, показали, что предлагаемая суспензия в сравнении с суспензией по прототипу обеспечивает лучшие параметры по качеству оболочек в пределах изменений количества жидкого отхода.
Использование в составах суспензий жидкого отхода химической очистки оцинкованного стального лома оцинкового покрытия в виде водного раствора хлорида цинка, органического растворителя ацетона или этилового спирта, ортофосфорной кислоты совместно с дисперсным кремнеземом в виде пыли ферросплавных печей во всех случаях обеспечивает повышение физико-механических свойств оболочек.
Промышленная применимость изобретения.
Суспензия может быть применена в технологиях литья по выплавляемым моделям с использованием связующих материалов на основе гидролизованных растворов этилсиликатов в производстве литых изделий из чугуна, стали и цветных металлов.
Цитируемые источники:
1. RU 2283720C1. Суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям. Ю.С.Елисеев, В.А. Поклад, О.Г. Оспенникова, В.В.Деев.
2. RU 2295419 С1. Способ изготовления форм по выплавляемым моделям. В.Г. Бабкин, К.Ю. Калугин.
3. RU 2146983 C1. Суспензия для изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям. С.А. Никифоров, Н.Н. Терентьев, И.Б. Гилевич, М.В. Никифорова.