СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
METHOD OF PREPARING GRANULAR MATERIALS FOR INVESTMENT CASING OF CERAMIC MOULDS AND CORES

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических форм и стержней в литье по выплавляемым моделям, в особенности для сложнопрофильных тонкорельефных отливок из цветных и черных сплавов.
В настоящее время для этого широко используется в производстве аммиачная сушка слоев этилсиликатного покрытия, нанесенного на выплавляемую модель (Литье по выплавляемым моделям: монография / под ред. Я.И.Шкленника. - М.: Машиностроение, 1984. - 408 с.). Она создает условия для гелеобразования покрытия и ускоренного формообразования. Однако отверждение каждого этилсиликатного слоя покрытия протекает лишь с поверхности. В процессе сушки происходит усадка, свободному прохождению которой препятствует неравномерность гелеобразования при воздействии аммиака. В результате возникающие напряжения вызывают появление в пленках этилсиликатного связующего микротрещин, развивающихся в процессе прокалки керамических форм. Поэтому происходит снижение потенциальной прочности керамических форм, ухудшающее качество отливок.
Широкие перспективы в этом отношении открывает плакирование обсыпочного материала отвердителем связующего раствора (Совершенствование формообразования в производстве крупного художественного литья по выплавляемым моделям / Л.Г.Знаменский, А.А.Солодянкин // Вопросы теории и технологии литейных процессов: сб. науч. тр. - Челябинск: ЧГТУ, 1993. - С.78-83). В этом случае зернистый материал, на частицах которого закреплен отвердитель, внедряется при обсыпке в слой суспензии, взаимодействует со связующим и образует каркасную структуру. Поэтому создаются условия для объемного, а не поверхностного отверждения слоев огнеупорного покрытия в литье по выплавляемым моделям.
-6
2
Наиболее близким по технической сущности является способ подготовки зернистых материалов для изготовления керамических форм и стержней в литье по выплавляемым моделям, включающий впрыскивание гелеобразующей смеси из раствора жидкого стекла и феррохромового шлака в псевдоожиженный слой зернистого материала с удельной скоростью (1…5)×10 кг/с на 1 м поверхности частиц зернистого материала при непрерывном воздействии на обрабатываемый зернистый материал электрическим полем напряженостью 100…500 В/м (RU 2404011. Способ подготовки зернистых материалов для изготовления керамических форм и стержней. Л.Г.Знаменский, О.В.Ивочкина, А.С.Варламов и др. Бюллетень изобретений №32, 2010 г.).
Известное техническое решение обеспечивает при использовании такого плакированного зернистого материала в литье по выплавляемым моделям уменьшение продолжительности отверждения слоев этилсиликатной суспензии и некоторое повышение физико-механических свойств керамических форм и стержней. Вместе с тем прототип имеет следующие недостатки:
- состав плакирующего слоя зернистого материала прототипа обеспечивает гелеобразующее воздействие лишь на гидролизованные растворы этилсиликата, при этом не оказывает существенного влияния на продолжительность отверждения суспензии на других связующих растворах, прежде всего алюмоборфосфатном концентрате, являющемся в настоящее время перспективным неорганическим формовочным материалом в литейном производстве;
- взаимодействие жидкого стекла и феррохромового шлака в составе плакирующего слоя обсыпочного материала приводит к ослаблению его гелеобразующего воздействия на слой суспензии покрытия выплавляемой модели;
- удельная скорость впрыскивания, принятая в прототипе, не обеспечивает в должной степени получение одинакового по толщине плакирующего слоя отвердителя к связующему форм и стержней на частицах зернистого материала, в особенности при использовании не только этилсиликатных связующих, но и металлофосфатов, например алюмоборфосфатного концентрата в качестве неорганического связующего раствора при формообразовании;
- недостаточная стабильность в получении равномерного покрытия зернистого материала гелеобразователем не всегда позволяет достичь потенциального уровня физико-механических свойств керамических форм, в особенности при производстве литьем по выплавляемым моделям крупногабаритных и тонкорельефных отливок.
В основу изобретения положена техническая задача - создать такой способ подготовки обсыпочного материала в литье по выплавляемым моделям, который обеспечил бы равномерность плакирования зернистого материала гелеобразователем, удаление воздушных пузырьков из плакирующего слоя, повышение его адгезии к частицам зернистого материала и в результате ускорение формообразования и увеличение прочности керамических форм и стержней, определяющих технологическую стабильность и улучшение качества изготовления точных отливок, в особенности тонкорельефных и крупногабаритных.
2
-6
2
Указанная техническая задача решается таким образом, что в способе подготовки зернистых материалов для изготовления керамических форм и стержней в литье по выплавляемым моделям, включающем впрыскивание гелеобразователя в псевдоожиженный слой зернистого материала, согласно изобретению гелеобразователь готовят в виде суспензии из водного раствора карбоксиметилцеллюлозы и порошка периклаза, обрабатывают гелеобразователь ультразвуком интенсивностью 5…15 Вт/см, а затем впрыскивают его в псевдоожиженный зернистый материал с удельной скоростью (0,4…1,5)×10 кг/с на 1 м поверхности его частиц.
Использование суспензии из водного раствора карбоксиметилцеллюлозы и порошка периклаза при впрыскивании в псевдоожиженный слой зернистого материала обеспечивает возможность существенного сокращения продолжительности отверждения слоя огнеупорного покрытия на выплавляемой модели, а следовательно, ускоренное формообразование в точном литье, особенно при изготовлении крупногабаритных и тонкорельефных отливок. При этом непосредственно огеливающим действием обладает порошок периклаза, а водный раствор карбоксиметилцеллюлозы, являясь, по сути, клеящим материалом, способствует закреплению порошка периклаза на частицах зернистого материала.
Воздействие на плакирующую смесь ультразвука гарантирует стабильность подготовки обсыпочного материала в результате эффекта «разжижения» плакирующего состава, его равномерного растекания по поверхности частиц зернистого материала и усиленной адгезии к ней.
2
Интенсивность ультразвукового поля для обработки плакирующего состава зернистого материала в пределах 5…15 Вт/см создает условия для возникновения в рассматриваемой системе явления кавитации и акустических течений, в результате чего плакирующий состав дегазируется, снижается его вязкость, повышается текучесть и когезионная прочность.
-6
2
Удельная скорость впрыскивания суспензии из водного раствора карбоксиметилцеллюлозы и порошка периклаза (0,4…1,5)×10 кг/с на 1 м поверхности частиц зернистого материала обеспечивает равномерность распределения отвердителя на частицах зернистого материала.
Таким образом, достигается стабильное, однородное покрытие зерен отвердителем связующего форм и стержней и как результат при использовании такого обсыпочного материала ускоренное формообразование и повышение качества точного литья из черных и цветных сплавов.
Предлагаемый способ подготовки зернистых материалов для изготовления керамических форм и стержней в литье по выплавляемым моделям осуществляют следующим образом.
3
2
-6
2
Водный раствор карбоксиметилцеллюлозы (ГОСТ 6-15-1077-92) плотностью 1,15…1,25 г/см смешивают с порошком периклаза (ТУ 14-8-448-83) зернистостью 60…80 мкм в соотношении (4…2):1 по массе. Полученную суспензию подвергают воздействию ультразвука интенсивностью 5…15 Вт/см. Для этого суспензию сливают в ультразвуковую ванну, например, марок УЗВ-50ЭК, Techsonic UD300 SH-10L и при непрерывном перемешивании обрабатывают ультразвуком в течение 10…15 мин при частоте 20…22 кГц. Обработанную суспензию впрыскивают в находящийся в псевдоожиженном состоянии в пескосыпе зернистый материал из расчета 3…5% от его массы. Причем скорость впрыскивания составляет (0,4…1,5)×10 кг/с на 1 м поверхности частиц зернистого материала.
Подготовленный зернистый материал используют в качестве обсыпки слоев огнеупорной суспензии при изготовлении керамических форм на алюмоборфосфатном концентрате.
В качестве зернистого материала могут использоваться шлифзерно электрокорунда №16-80, сеяный шамот зернистостью 0,25…1 мм, кварцевый песок групп 016, 02, 025, 03.
Предлагаемый способ подготовки зернистых материалов для изготовления керамических форм и стержней в литье по выплавляемым моделям иллюстрируется следующим примером.
3
2
2
-6
2
Пример. Водный раствор карбоксиметилцеллюлозы плотностью 1,2 г/см в мешалке лабораторного типа смешивали с порошком периклаза зернистостью 80 мкм в соотношении 3:1 по массе. Полученную суспензию подвергали воздействию ультразвука интенсивностью 5…15 Вт/см. Для этого суспензию сливали в ультразвуковую ванну и при непрерывном перемешивании обрабатывали ультразвуком в течение 10 мин при частоте 20 кГц. При этом варьировали интенсивность ультразвука 5, 10, 15 Вт/см. Обработанную суспензию впрыскивали в находящийся в псевдоожиженном состоянии в пескосыпе зернистый материал из расчета 4% от его массы. Причем скорость впрыскивания составляла 1×10 кг/с на 1 м поверхности частиц зернистого материала.
Подготовленный зернистый материал использовали в качестве обсыпки слоев огнеупорной суспензии при изготовлении керамических форм на алюмоборфосфатном концентрате (ТУ 113-08-606-87) и прокаленном пылевидном кварце марки ПК-2 (ГОСТ 9077-82). Вязкость первого слоя суспензии по вискозиметру ВЗ-4 составляла 75…80 с, а последующих - 60…70 с.
Параллельно осуществляли обработку зернистого материала и изготовление форм согласно прототипу.
Сравнительные данные способов приведены в таблице.
Сравнительные данные способов подготовки зернистых материалов
Наименование показателей
Прототип
Разработанный способ при интенсивности ультразвука, Вт/см<sup>2</sup>
5
10
15
1. Толщина плакирующего слоя, мкм
50…60
25
20
15
2. Условная вязкость плакирующего состава по ВЗ-4, с
60…70
35
30
18
3. Продолжительность отверждения слоя покрытия на алюмоборфосфатном концентрате, мин
90…120
8
15
40
4. Прочность керамических образцов при изгибе, МПа:
- после вытопки моделей;
1,8…2,2
5,3
5,7
6,3
- в горячем состоянии при 900°С;
3,8…4,5
6,8
7,5
9,3
- после прокалки и охлаждения до комнатной температуры
1,5…1,7
0,35
0,6
0,7
При этом отклонения указанных параметров при изготовлении 100 форм из одной партии подготовленной обсыпки составляют для разработанного способа 3…10%, а в прототипе 60…80%.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет обеспечить равномерное распределение и повышенную адгезию гелеобразователя на частицах обсыпочного материала. В результате создаются условия для стабильности технологического процесса ускоренного формообразования в литье по выплавляемым моделям, в том числе и с использованием металлофосфатных связующих, при увеличении прочностных характеристик керамических форм и стержней, в особенности при изготовлении высококачественных крупногабаритных точных отливок с тонкорельефной поверхностью. Заявленный способ опробован в производстве художественного литья по выплавляемым моделям из цветных и черных сплавов, показав улучшение качества точного литья.
Учитывая повышенный комплекс технологических свойств, заявленный способ подготовки обсыпочного материала может быть широко использован в практически любых цехах литья по выплавляемым моделям.