Способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям
METHOD FOR MANUFACTURING MULTI-LAYER SHELL CASTING MOLDS ACCORDING TO INVESTMENT PATTERNS

Изобретение относится к литейному производству, а именно, к получению отливок по выплавляемым моделям.
Известна суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям, включающая гидролизованный раствор ЭТС-40 или водные кремнезоли и огнеупорный наполнитель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит технологическую добавку, состоящую из эмали с температурой плавления от 700 до 1200°С и тугоплавкого соединения с температурой плавления не ниже 1400°С, при следующем соотношении компонентов, масс.%: гидролизованный раствор ЭТС-40 или водные кремнезоли 15-40; технологическая добавка 20-80; огнеупорный наполнитель - до 100, причем технологическая добавка содержит, масс. %: эмаль 5-95; тугоплавкое соединение 95-5. В качестве эмали используют эмали ЭВТ, или ЭВ, или ЭВК. В качестве тугоплавкого соединения используют интерметаллиды (соединения бериллия, алюминия и магния с бором, углеродом, азотом и кремнием) , обладающие высокими температурами плавления до 2500°С [1].
Известная суспензия имеет ряд недостатков, заключающихся в необходимости приобретения дорогостоящих тугоплавких соединений, а также выбора эмалей с температурой плавления, находящейся в определенном интервале. При этом в зависимости от ситуации требуется тщательно подбирать набор и соотношение компонентов, вводимых в суспензию, что существенно усложняет процедуру технологический подготовки.
Известен способ изготовления литейных форм по выплавляемым моделям, включающий предварительное нанесение на модель защитного слоя, изготовление оболочки формы и последующую выплавку модели, отличающийся тем, что, с целью улучшения чистоты поверхности отливок за счет уменьшения пропитки формы материалом модели, в качестве защитного слоя используют целлулоид с теплостойкостью 40-70°С [2].
К недостаткам способа относится прежде всего пожароопасность применяемого целлулоида, который склонен к тепловому и химическому самовоспламенению при температурах порядка 140-160°С, легко загорается от открытого пламени, при нагревании до 80°С загорается от искры. Хотя целлулоид не является токсичным материалом, но при его горении выделяется большое количество токсичных газов (оксид углерода, оксиды азота и цианистые соединения). Работы, связанные с целлулоидом, необходимо проводить в помещениях, снабженных приточно-вытяжной вентиляцией, с соблюдением требований пожарной безопасности и промышленной санитарии; необходимо применять меры защиты от статического электричества. В помещениях, где проводится работа с целлулоидом, не допускается скопления пыли и целлулоидной крошки; должно быть исключено попадание прямых солнечных лучей. Все это значительно усложняет практическую реализацию способа [3].
Известен способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии и обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, введение в оболочку кислородсодержащего вещества, сушку и прокалку, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени и снижения температуры прокалки, а также улучшения чистоты поверхности отливок, предварительно на блок моделей наносят защитный слой покрытия на основе нитроцеллюлозного лака с температурой разложения 500-700°С, который затем сушат, а в качестве кислородсодержащего вещества используют известковую селитру, которую вводят в количестве 5-7% масс. суспензии для образования второго слоя формы [4].
Однако известный способ не лишен недостатков. Используемая в качестве кислородсодержащего вещества известковая селитра дефицитна, неудобна в хранении по причине высокой гигроскопичности. В состав применяемого нитроцеллюлозного лака входят коллоксилин - невзрывоопасная нитроцеллюлоза, хорошо растворимая в органических растворителях, а также добавки алкидных, аминоформальдегидных, циклогексанон-формальдегидных смол, смесь растворителей (пропилацетат, этилацетат, толуол и т.д.) и пластификаторы нитропарафин, хлорпарафин, кастероль и др.). Лак характеризуется высокой рыночной ценой, пожароопасностью, токсичностью в условиях высокотемпературного нагрева, недостаточной укрывистостью, высоким удельным расходом, плохо удерживается на гладких вертикальных и наклонных поверхностях.
Наиболее близким к изобретению является способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, причем, начиная со второго слоя оболочки, с использованием кислородсодержащего вещества и борной кислоты, обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание, отличающийся тем, что кислородсодержащее вещество вводят в состав огнеупорной суспензии, к которой добавляют борную кислоту в количестве 3-4 масс.%. В качестве кислородсодержащего вещества используют полупродукт переработки шламов селитровых ванн, применяемых в цехах термической обработки, в количестве 2-4 масс.% огнеупорной суспензии [5].
Недостатки способа - риски проникновения модельного состава в поры оболочковой формы, нестабильное качество рабочей поверхности оболочковой формы после ее прокаливания, а также сложность замешивания порошкообразной борной кислоты в огнеупорную суспензию и, как следствие, ее неравномерное распределение в объеме суспензии, повышающее вероятность разрушения оболочки при прокаливании и последующей заливке расплавом.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решается задача совершенствования технологического процесса в части профилактики проникновения модельного состава в поры оболочковой формы, обеспечения стабильно высокого качества ее рабочей поверхности, полноты удаления остатков модельного состава и продуктов его горения из рабочей полости формы и трещиноустойчивости оболочки при ее прокаливании и заливке металлическим расплавом.
Технический результат - обеспечение стабильного качества получаемого литья за счет уменьшения пропитки оболочковой формы материалом модели и увеличения ее трещиноустойчивости, а также повышение экологичности процесса по сравнению с прототипом за счет использования техногенных отходов производства.
Технический результат достигается тем, что согласно способу изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающему послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, введение в оболочку кислородсодержащего вещества и борной кислоты, начиная со второго слоя оболочки, обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание, с целью снижения проникновения модельного состава в поры оболочковой формы и обеспечения стабильно высокого качества ее рабочей поверхности предварительно на блок моделей с помощью пульверизатора наносят защитный слой покрытия на основе отходов автоэмали, который затем сушат, для обеспечения равномерности распределения борной кислоты и кислородсодержащего вещества в оболочке и повышения ее трещиноустойчивости вводят их в обсыпку, а в качестве кислородсодержащего вещества используют отходы чистки селитровых ванн закаливания, измельченные до размера не более 1,0 мм, в количестве 4,0-8,0 % масс. обсыпки.
Отходы автоэмали представляют собой невязкую жидкость - разноцветную суспензию пигментов («разносортица») в растворе алкидных и меламино-формальдегидных смол в органических растворителях с добавлением сольвента. Ежегодно на предприятиях автомобилестроения образуется значительные объемы таких отходов. Применение данных отходов в качестве покрытия модельного блока не только предохраняет оболочковую форму от проникновения в нее модельного состава, но и способствует оздоровлению экологической ситуации и снижению материальных затрат на их утилизацию и захоронение на полигонах.
Нанесение отходов автоэмали на поверхность модельного блока с помощью пульверизатора в сочетании с оптимальными физическими свойствами отходов (возможность длительного хранения по причине высокой седиментационной устойчивости; небольшая вязкость 15-20 с по вискозиметру ВЗ-4, удобная для нанесения на рабочую поверхность методом распыления; высокая кроющая способность при удовлетворительном сцеплении с рабочей поверхностью) и сушкой (длительность высыхания менее 1 часа при комнатной температуре) позволяют обеспечить надежное удержание покрытия рекомендуемой равномерной толщины 20-50 мкм [6] на вертикальных и наклонных поверхностях при его экономном расходе, а также отсутствие наплывов и подтеков. Гидрофобность и термостойкость материала покрытия препятствует проникновению горячей воды в поры формы при вытопке модельного состава из оболочки. Высокая стойкость материала покрытия к эрозии при рабочих температурах прокаливания формы в сочетании с температурой разложения компонентов около 500°С, превышающей температуры свободного горения остатков модельной композиции, снижают до минимума вероятность их проникновения в литейную форму и образования в порах формы сажистого углерода.
Введение кислородсодержащего вещества и борной кислоты в состав огнеупорной обсыпки многослойной оболочковой формы позволяет исключить необходимость трудоемкой операции их замешивания в суспензию, а также обеспечить равномерность распределения в материале оболочки и, как следствие, повысить ее трещиноустойчивость.
Отходы чистки селитровых ванн закаливания представляют собой твердую субстанцию гранулометрического состава от порошка до 6,0 мм. В их составе содержится 50% натриевой и 50% калиевой селитры. В значительных объемах они накапливаются в термических цехах предприятий машиностроения. Их применение в составе оболочковых форм обеспечивает поступление в поры оболочки дополнительной порции кислорода, образующегося в ходе разложения селитры в условиях температур порядка 400°С, способствуя тем самым интенсивному и более полному выгоранию остатков модельной композиции и сажистого углерода при прокаливании, снижению необходимого времени пребывания литейной формы в прокалочной печи, исключая при этом затраты предприятий на утилизацию и захоронение отходов. Экспериментальная проверка показала, что при размере частиц отходов более 1,0 мм значительно снижается трещиноустойчивость оболочки при прокаливании и заливке металлическим расплавом, что ведет к разрушению формы.
Борная кислота в составе материала оболочковых форм способствует повышению их трещиноустойчивости и прочности при прокаливании и улучшению качества поверхности отливок за счет спекания керамического материала оболочки и уменьшения риска образования «гребешков» на поверхности отливки, а также позволяет получать отливки в оболочковых формах без опорного наполнителя. При прокаливании происходит разложение борной кислоты до борного ангидрида, который в температурном интервале прокаливания оболочковых форм плавится, заполняя макро- и микротрещины, формирующиеся в керамической оболочке в результате полиморфных превращений (переход β-кварца в α-кварц) и выделения кислорода из кислородсодержащего вещества, входящего в зернистый материал обсыпки. Рекомендуемое количество борной кислоты в материале огнеупорной обсыпки составляет 2,0-3,0% масс., поскольку при содержании менее 2,0% масс. эффект упрочнения форм незначителен, а содержание более 3,0% масс. ведет к образованию большого количества легкоплавких соединений, что при заливке формы металлическим расплавом ведет к нежелательной диффузии бора в поверхностный слой отливок, затрудняющей их последующую механическую обработку [7].
Пример осуществления способа.
Для нанесения защитного слоя на модельные блоки использовались отходы автоэмали МЛ-12 ГОСТ 9754 различных цветов («разносортица») вязкостью 13 с (с контролем по вискозиметру ВЗ-4), имеющие компонентный состав, % масс.: сольвент - 25, ксилол - 15,75, бутанол - 16,5, бутилцеллозольв - 0,75, пигмент - 42.
В качестве кислородсодержащего вещества применяли отходы чистки селитровых ванн закаливания, имеющие компонентный состав, % масс.: калиевая селитра - 50, натриевая селитра - 50, которые предварительно сушили и измельчали в шаровой мельнице до размеров не более 1,0 мм.
Для изготовления огнеупорной  суспензии  использовалось  готовое связующее ГС-20э ТУ 6-02-1-046-95 и маршалит (искусственный пылевидный кварц) марки А или Б по ГОСТ 9077-82. Перемешивание составляющих огнеупорной суспензии проводилось в гидролизаторе мод. 661 до получения рабочей вязкости 55 с (с контролем по вискозиметру ВЗ-4). При необходимости для доводки связующего до рабочей вязкости использовалась добавка азотной кислоты.
2
2
1
1
В качестве зернистого материала обсыпки применялся кварцевый песок марок 1КО02 ГОСТ 2138-91 для первого слоя и 1КО03 ГОСТ 2138-91 для последующих слоев с добавкой порошка борной кислоты из расчета 2-3% масс. материала обсыпки и размолотых отходов чистки селитровых ванн закаливания из расчета 2,0-10,0% масс. материала обсыпки. Обсыпка первого (рабочего) слоя оболочки проводилась без применения добавки кислородсодержащего вещества и борной кислоты, поскольку это ухудшило бы качество поверхности отливок.
На собранные модельные блоки пульверизатором наносили тонкую пленку отходов автоэмали, после чего сушили на воздухе в зоне действия приточно-вытяжной вентиляции в течение 30 мин. После этого послойно поверхность модельного блока равномерно покрывалась огнеупорной суспензией двукратным погружением в рабочую емкость гидролизатора. При этом осуществлялись обсыпка каждого слоя зернистым материалом в псевдокипящем потоке, для чего использовался пескоосыпатель мод. 42-00-107, и его вакуумно-аммиачная сушка в полуавтоматической установке мод. 41-00/570.
Общее количество слоев оболочковой формы составляло пять-шесть. Вытопка моделей осуществлялась горячей водой. После этого проводилась сушка оболочковых форм в сушильной камере при температуре 50-70°С в течение 1,5-2,0 ч. Скорость воздушного потока в сушильной камере составляла 4,0-5,0 м/с. Затем осуществлялась прокалка оболочковых форм без опорного наполнителя в прокалочной печи СНО 8.5.17.5/12 по режиму: нагрев до 700°С со скоростью не более 100°С в час и выдержкой при температурном максимуме 1,5-2,0 ч.
В многослойных оболочковых формах изготавливались отливки «Кронштейн» массой 135 г из стали 20Х13Л ГОСТ 977-88 (по восемь отливок в форме). Заливка форм проводилась при температуре 1580-1620°С.
На всех операциях проводился контроль за выбросами оксида углерода, фенола и формальдегида в рабочую зону.
Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно предлагаемому способу, представлены в таблице 1.
Брак опытных отливок не был выявлен при нанесении на модельный блок покрытия на основе отходов автоэмали и содержании в материале обсыпки отходов чистки селитровых ванн закаливания в качестве кислородсодержащего вещества в пределах 6,0-8,0% масс. Превышений предельно допустимых концентраций по выбросам в воздух рабочей зоны во всех случаях выявлено не было.
Испытания показали высокую эффективность и экологичность предлагаемого способа при стабильно высоком качестве отливок.
Источники информации:
1. Патент на изобретение РФ №2283720, кл. В22 С1/16, 2006.
2. Авторское свидетельство СССР №1787651, кл. В22 С9/04, 1993.
3. Целлулоид // RAZVITIE-PU.RU: справочные материалы конструкторам, инженерам, технологам. - URL: http://razvitie-pu.ru/?page_id=3140.
4. Авторское свидетельство СССР №1101317, кл. В22 С9/04, 1984.
5. Патент на изобретение РФ №2532753, кл. В22 С9/04, 2014 - прототип.
6. Авторское свидетельство СССР №1101317, кл. В22 С9/04, 1984.
7. Патент на изобретение РФ №2433013, кл. В22 С9/04, 2011.
Таблица 1
Содержание отходов чистки селитровых ванн закаливания в обсыпке, % масс.
Содержание борной кислоты<sub></sub>в обсыпке,% масс.
Нанесение на модельный блокпокрытия на основе отходов автоэмали
Количество отливок(всего/брак),шт.
Брак, %
Примечания
2,0
2,0-3,0
нет
8/3
37,5
Остатки сажистого углерода в поверхностном слое отливок(3 отливки)
2,0
да
8/2
25,0
Следы сажистого углерода в поверхностном слое отливок(2 отливки)
4,0
нет
8/3
37,5
Высокая шероховатость поверхности отливок(3 отливки)
4,0
да
8/0
0
-
6,0
нет
8/4
50,0
Высокая шероховатость поверхности отливок(4 отливки)
6,0
да
8/0
0
-
8,0
нет
8/3
37,5
Высокая шероховатость поверхности отливок(3 отливки)
8,0
да
8/0
0
-
10,0
нет
8/2
25,0
Отливки не получены по причине частичного разрушения оболочки при заливке формы(2 отливки)
10,0
да
8/4
50,0
«Гребешки» на поверхности отливок из-за растрескивания оболочек(4 отливки)