СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
METHOD OF PRODUCTION OF FOUNDRY CERAMIC MOULDS ON INVESTMENT PATTERNS

Данное изобретение относится к области литья по выплавляемым моделям и может найти применение при изготовлении точных отливок.
Из уровня техники известно, что в настоящее время точные отливки, например, получают в керамических формах на этилсиликатном связующем, содержащем после гидролиза 16÷20% условного кремнезема. Блок моделей окунают в суспензию, например с дистенсиллиманитовым наполнителем (КДСП), дают стечь ее избытку и наносят присыпку из электрокорундового порошка. Затем полученный огнеупорный слой отверждают и таким образом наносят еще семь слоев. Суспензия первого слоя имеет более высокую вязкость - 45…55 с по вискозиметру В3-4, а последующих - 25…30 с. На 1 л связующего суспензии первого слоя приходится 2 кг КДСП, а второго слоя -1,24 кг, т.е. в суспензии второго слоя связующего примерно на 38% больше. Это позволяет проникать суспензии последующих слоев в поры отвержденного первого слоя. Плотность облицовочного слоя, контактирующего при заливке формы с металлическим сплавом, повышается, а вероятность размывания формы уменьшается. Для растворения модели из формооболочки последнюю опускают в ванну с холодной водой, промывают в ванне с горячей водой при ее температуре не менее 368 К, а затем в ванне с теплой водой (333÷353К) (Литье по выплавляемым моделям /Под ред. Я.И.Шкленника и В.А.Озерова. - М.: Машиностроение, 1984. 408 с.). После удаления модели керамическую форму сушат при температуре 200÷250°C и подвергают обжигу при температуре 900÷950°C, при этом формируется структура керамики с определенным значением прочности, что позволяет заливать в форму металлический расплав.
При получении разнопрофильных отливок часто требуется получение форм с различной прочностью. В условиях поточного производства это вызывает большие неудобства, так как необходимо приготовление отдельной суспензии с выгорающими добавками, либо органического состава, из которых формируют промежуточные слои или слой. После выгорания органической составляющей форма имеет повышенную пористость и пониженную удельную прочность.
В работе (Шпиндлер С.С., Ланда М.И., Мамлеев Р.Ф. Оболочковые формы с регулируемыми свойствами //Литейное производство, 1075. №4. С.31-32) показано, что введение в состав суспензии 3÷5% графита увеличивает пористость керамики всего на 5÷9%, при этом практически не удалось уменьшить ее прочность. Авторы связывают с малым изменением живого сечения керамики и образованием пор сферической формы малого размера - 20÷40 мкм. В этой же работе показано, что ввод в суспензию 6% древесных опилок не изменяет прочности керамики как при 293К, так и при 1223К, что также связано с природой пор. Исключение горячих трещин в отливках за счет снижение прочности восьмислойной электрокорундовой формы удалось получить при использовании суспензии пятого слоя из гидролизованного этилсиликата и графита в количестве 36÷44% мас. (А.с. 1014625 СССР. Суспензия для формирования промежуточного слоя многослойной оболочковой формы. №3288962, заявл. 13.05.1981, опубл. 30.01.1983, Бюл. №16).
Представленный анализ показывает, что формирование в связующем мелких пор округлой формы мало влияет на прочность керамической формы. Для увеличения размеров пор необходимо увеличивать количество вводимой в суспензию выгорающей добавки. Это приводит к изменению технологических свойств суспензии, например ухудшению ее кроющей способности, и появлению некачественного облицовочного слоя керамической формы. Вторым недостатком данного направления при широкой номенклатуре литых деталей является необходимость приготовления дополнительной суспензии, что повышает материалоемкость и трудоемкость производственного процесса.
Снизить прочность формы возможно разбавлением связующего раствора (гидролизованного этилсиликата), используемого для формирования промежуточных огнеупорных слоев. При этом снижается седиментационная устойчивость и живучесть суспензии. Для повышения технологических свойств суспензии в нее вводят антииспарители. Добавка в связующий раствор 0,5÷4,2% мас. тяжелых жирных спиртов или поливинилбутираля в количестве 0,20% мас. позволила увеличить время обсыхания суспензионного слоя и «сырую» прочность керамики (Литье по выплавляемым моделям / Под ред. Я.И.Шкленника и В.А.Озерова. - М.: Машиностроение, 1984. 408 с.). Данное направление также требует приготовления отдельной суспензии.
Практически не применяется на практике такое направление, как введение выгорающей добавки в обсыпку. При нанесении обсыпки в «кипящем слое» происходит разделение материалов под действием гравитации и нанести равномерно распределенный слой обсыпки на суспензионный слой становится невозможным, особенно в случае сложнопрофильных деталей или деталей удлиненной формы. Ввод в обсыпку 30÷100% выгорающей добавки - гранулированного карбамида способствует образованию сотового строения керамики после обжига с крупными сферическими порами размером 250÷1500 мкм (Шпиндлер С.С. Исследование термомеханических свойств оболочковых форм// Литейное производство, 1983, №3. - С.19). Это увеличивает пористость керамической формы до 50÷55% и позволяет выдерживать те же изгибающие усилия, что и у керамики, имеющей плотность 36% благодаря увеличению ее поперечного сечения, однако удельная прочность керамики при этом должна снизиться достаточно сильно. Использовать такую форму возможно только при получении тонкостенных деталей из-за возможности пробоя формы в момент заливки в нее стали.
Для изменения свойств керамической формы применяют такие технические приемы, как пропитка нескольких огнеупорных слоев керамики в процессе ее изготовления органическими составами или создание промежуточного слоя из органических компонентов. Примером может служить работа (Пат. №2277452 РФ. Способ изготовления керамических оболочек для отливок с узкими развитыми поверхностями при литье по выплавляемым моделям, №2005112949, заявл. 28.04.2005, опубл. 10.06.2006, Бюл. №16). Целью изобретения являлось повышение трещиноустойчивости керамики. Для слоев промежуточной зоны, начиная с третьего, в качестве связующего используют органический быстросохнущий раствор (канифоль в спирте с вязкостью по вискозиметру В3-4 14÷46 с). В качестве обсыпки использовали зернистый материал. Органический раствор пропитывает первые огнеупорные слои и предотвращает пропитку их суспензией при формировании следующих огнеупорных слоев. При обжиге керамики органический состав выгорает с образованием пор. Положительным является применение обсыпки, которая пробивает тонкий слой органического состава и контактирует с предыдущим слоем при их последующим спекании. Это предотвращает послойное расслоение керамики.
Однако несколько последовательно нанесенных органических слоев в середине керамической формы может вызвать ее расслоение после обжига и разрыв при заливке металлом.
В работе (Стадничук В.И., Бессмертный B.C. Влияние состава связующего на остаточную влажность керамики после вакуумно-аммиачной сушки //Огнеупоры и техническая керамика, 2011. №3. С.26÷28) определяли величины остаточной влажности в корундо-силлиманитовой керамике после цикла сушки и отверждения по стандартному режиму. Результаты показали, что максимальное значение остаточной влажности было и в трехслойной, и в четырехслойной, и в пятислойной керамике. Это связано с различной пористостью отвержденных огнеупорных слоев из-за различного времени выдержки блока с моделью в суспензии. Прохождение процесса насыщения суспензией отвержденной керамики косвенно можно оценить по выделению воздушных пузырей из суспензии, которые вытесняются из пор керамики за счет гидравлического давления суспензии. Таким образом, уменьшения прочности керамики можно достичь за счет снижения эффективности пропитки отвержденных огнеупорных слоев суспензией последующих слоев за счет сокращения времени выдержки погруженной в нее модели.
Анализ литературных данных показал, что в настоящее время при разработке технологии получения керамической формы по выплавляемой модели отсутствует такой важный параметр, как продолжительность выдержки блока с моделью в суспензии. Например, в работе (Литье по выплавляемым моделям. Монография / Под ред. Я.И.Шкленника и В.А.Озерова. - М.: Машиностроение, 1984, с.223)отмечается, что блок с моделью необходимо медленно погрузить в суспензию, поворачивая его в разных направлениях. Отсутствие количественного критерия не позволяет использовать данную рекомендацию в технологических инструкциях.
В двух работах предложены весьма противоречивые рекомендации. Авторы работы (Жидкова Л.А., Клещевникова С.И., Соловьев А.А. и др. Этилсиликат-40 //Литейное производство, 1968. №10. С.4÷6) рекомендуют выдерживать блок в суспензии в течение 10 с последующим ее стеканием в течение 15 с. В работе (Небогатов Ю.Е.Тамаровский В.И. Специальные виды литья. М.: Машиностроение, 1975, 175 с.) рекомендуется погружать блок в суспензию на 1÷2 с.
Важность качественной пропитки суспензией отверждающего огнеупорного покрытия модели представлена в работе (Заявка №93045030 РФ. «Способ изготовления оболочковых форм по выплавляемым моделям.» Заявл. 17.09.93, опубл. 27.12.96, Бюл. №36). Авторы показали, что при виброобработке шликера перед погружением блока моделей с частотой 45÷46 Гц и амплитудой колебаний 0,35-0,40 мм выдержка блока после погружения в течение 10 с и в течение 3÷5 с при вибрации 20÷25 Гц позволяет повысить прочность керамики. Виброобработку шликера проводят для удаления из него пузырьков воздуха, что позволяет сразу начинать нанесение огнеупорных слоев на модели. В данном случае суммарное время нахождения блока в суспензии составило 13÷15 с, что даже без вибрации позволяет в полном масштабе осуществить пропитку отвержденных керамических слоев.
Виброобработка щликера вызывает его расслоение. Отсутствие параметра и контроля за временем и качеством пропитки отвержденных слоев приводит к получению нестабильных результатов при определении свойств керамики.
2
3
2
3
3
3
На практике при обработке результатов испытаний керамики часто исключают наибольшее и наименьшее значение полученного параметра, если они сильно отличаются от среднего значения. Однако именно максимальное значение прочности керамических образцов, изготовленных по одной технологии, является наиболее точным. Примером нестабильности результатов могут служить данные работы (Богданов М.Т. Влияние технологических факторов на прочность оболочки при литье по выплавляемым моделям //Литейное производство, 1958. №9. С.18÷20). При испытании трехслойных керамических образцов на разрыв получены значения прочности 2,7; 2,1 и 3,7 кг/см для суспензии плотностью 1,35 г/см, 7.2; 10,1 и 7,5 кг/см для суспензии плотностью 1,50 г/см. Использование густой суспензии плотностью 1,7 г/см позволило получить более стабильные результаты прочности керамики - 6.7; 7,1 и 7,0 г/см. Очевидно, это связано минимальной степенью пропитки отвержденных слоев. При испытании семислойных образцов после их обжига в течение часа при температуре 800°C разница в данных отличалась более чем на 30%. Следует отметить, что выводы в вышеуказанной работе автор делал по средним значениям. Однако истинное значение прочности для данных условий соответствует максимальному.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ (Жидкова Л.А., Клещевникова СИ., Соловьев А.А. и др. Этилсиликат-40 //Литейное производство, 1968. №10. С.4÷6), в котором рекомендуется выдерживать блок в суспензии в течение 10 с последующим ее стеканием в течение 15 с.
Однако длительность выдержки в суспензии модели в течение 10 с не является оптимальной. Время выдержки для первых слоев, например со второго по четвертый, когда керамика имеет толщину 4÷5 мм, такое же, как и для последующих. Восьмислойная керамика с пропиткой девятым закрепляющим слоем без обсыпки имеет толщину в 9÷10 мм. Пропитка керамики на всю толщину не осуществляется, а значит стабильная прочность керамики отсутствует.
Таким образом, отсутствие критерия, позволяющего оценить полноту пропитки суспензией сформированного на модели керамического покрытия, приводит к браку керамики как в процессе нанесения обсыпки, которая не пристает к слою суспензии, так и после ее отверждения по стандартному режиму или получению нестабильных результатов прочности. При типовом режиме сушки, как правило комбинированной, в ряде случаев происходит разрушение керамики.
Цель изобретения: повышение эффективности процесса при получении керамических форм с различной прочностью и получение у них стабильной прочности.
Техническим результатом изобретения является получение керамической формы со стабильными показателями прочности и получение форм с пониженной прочностью за счет введения нового параметра технологического процесса - продолжительности выдержки модели после ее погружения в суспензию.
Поставленная задача решается за счет того, что способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, включающий приготовление огнеупорной суспензии, послойное нанесение ее на модель методом погружения, нанесение обсыпки, сушку и отверждение огнеупорных слоев, удаление модели, сушку и обжиг полученной формооболочки, причем после погружения в суспензию модели для формирования на ней второго и последующих слоев выдержку производят в течение 5 с, а выдержку формооболочки с моделью в суспензии для формирования пятого и последующих слоев, кроме закрепляющего, производят в течение 2 с.
Выбор пятого слоя обусловлен тем, что первые два слоя являются облицовочными и определяют качество поверхности литой детали, поэтому их полноценная пропитка суспензией последующих, как минимум, двух слоев обязательна.
2
и
ср.
Для уточнения параметров технологии изготовления керамической формы по единой технологии изготавливали стандартные восьмислойные образцы (Литье по выплавляемым моделям. Монография /Под ред. Я.И.Шкленника и В.А.Озерова. - М.: Машиностроение, 1984. 408 с). Из гидролизованного этилсиликата-40 с содержанием условного SiO 17,6% (тип Орг-1) приготавливали дистенсиллиманитовую суспензию вязкостью по вискозиметру В3-4 48÷50 с для первого слоя и 28÷30 с для последующих слоев. Суспензию готовили при скорости перемешивания 2800 об/мин. Формирование огнеупорных слоев проводили четырьмя способами, которые отличались временем выдержки модели после ее погружения в суспензию (τ). Для обсыпки суспензии первого слоя использовали электрокорунд марки ЭБ20 и последующих - ЭБ50. Сушку слоев производили сначала на воздухе - 1 час, затем в вакуум-камере с добавлением аммиака. Модель представляла собой плитку толщиной 1 см из модельной массы Р-3 с четырьмя углублениями с каждой стороны, которые обозначали границы образцов. После формирования восьмислойной оболочки наносили девятый закрепляющий слой из суспензии, вытапливали модельную массу из керамической оболочки, подсушивали и обжигали оболочку при температуре 900°C в течение пяти часов. Затем оболочку ломали, образцы обтачивали до требуемых размеров и испытывали на изгиб по стандартной методике (по трем точкам). Вычисляли среднее значение прочности σ и отклонение от этой величины Δ. Результаты испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1
Прочность керамических образцов σ<sub>и</sub>, полученных разными способами
№способа
с
Прочность образцов, σ<sub>и</sub>, кг/см<sup>2</sup>
σ<sub>и ср</sub>.кг/см<sup>2</sup>
Δ,%
Номера образцов
1
2
3
4
5
6
7
8
I
2
25,25
25,12
25,21
24,67
24,91
25,35
25,22
24,96
25,09
2,71
II
5
33,48
33,77
33,81
33,61
33,82
33,59
33,68
33,88
33,70
1,19
III
10
33,71
33,81
33,70
33,86
33,73
34,17
33,68
34,36
33,89
1,04
IV
5/2
28,46
29,02
28,71
28,81
28,94
28,48
28,82
28,70
28,66
1,88
1. В варианте IV первые четыре слоя формировали при выдержке в суспензии модели в течение 5 с, а последние - в течение 2 с.
2. Отклонение от среднего значения прочности находили по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>min</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>и</mi><mtext> </mtext><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>⋅</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
Представленные результаты показывают связь прочности керамики от времени выдерживания модели в суспензии перед нанесением обсыпочного материала. Недостаточная выдержка в суспензии не обеспечивает полноценной пропитки предыдущих огнеупорных слоев и не позволяет максимально реализовать возможности данной технологии. Оптимальным следует считать продолжительность выдержки 5 с (№II). При формировании восьмислойной керамики с выдержкой модели в суспензии в течение 2 с прочность на изгиб снизилась на 26% (№I и №II). Изменением времени выдержки можно в определенных пределах регулировать величину снижения прочности керамики. Например, при сокращении времени выдержки с 5 до 2 с для пятого и последующих слоев (№IV) можно уменьшить прочность восьмислойной керамики с 33,70 до 28,76 кг/см, т.е. на 15%. Увеличение времени выдержки с 5 до 10 с практически не отражается на величине прочности керамики (№II и III). Для формирования девятого закрепляющего слоя формооболочку с моделью после погружения в суспензию необходимо выдерживать в ней не менее 5 с для исключения отрыва обсыпочных зерен восьмого слоя. Следует отметить высокую стабильность результатов во всех вариантах. Отклонение от среднего значения прочности Δ мало и не превышает эту величину для вязкости суспензии - ±1 с от 49 с для первого слоя и 29 с для последующих, что превышает 2%. Важным преимуществом предложенного способа является исключение необходимости приготавливать дополнительную суспензию для получения форм с более низкой прочностью, что должно заметно повысить эффективность в условиях поточного производства.