СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ОБОЛОЧКОВЫХ ЛИТЕЙНЫХ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
METHOD OF PRODUCING MULTILAYER INVESTMENT SHELL CASTING MOULDS

Изобретение относится к литейному производству, а именно к получению отливок по выплавляемым моделям.
Известен способ изготовления керамической литейной формы, используемой для производства литья по выплавляемым моделям, включающий последовательное нанесение на модельный блок слоев огнеупорного покрытия, выплавление модельного состава, пропитку формы с последующим ее прокаливанием, отличающийся тем, что, с целью предотвращения образования газовых раковин на отливках, пропитку проводят в водном растворе разлагающихся при температуре прокаливания солей серной кислоты, а именно сернокислого алюминия или сернокислого железа [1].
Данный способ имеет ряд недостатков. Вводятся дополнительные операции подготовки водного раствора разлагающихся впоследствии солей, а также пропитки оболочковых форм в растворе, характеризующиеся высокой трудоемкостью.
Известен способ изготовления керамических форм по удаляемым моделям, включающий изготовление модели, послойное нанесение на модель огнеупорной суспензии с обсыпкой каждого слоя огнеупорным материалом и сушкой, удаление модели, прокалку керамической формы и ее пропитку раствором, отличающийся тем, что керамическую форму пропитывают упрочняющим раствором, содержащим кремнийорганический лак и этиловый спирт при следующем соотношении компонентов, мас.%: кремнийорганический лак 10-25%, этиловый спирт - остальное. После пропитки осуществляют сушку керамической формы и прокалку при температуре 1150-1350°C в течение 4-8 часов [2].
Однако данный способ имеет ряд недостатков. Вводится дополнительная операция подготовки и нанесения на оболочковую форму упрочняющего раствора, характеризующаяся низкой экологической безопасностью и высокой трудоемкостью. Кроме того, сложным является процесс контроля соблюдения требуемой степени пропитки оболочек упрочняющим раствором.
Известен способ выплавления модельной композиции из многослойной оболочковой формы, получаемой по выплавляемым моделям, включающий погружение керамического блока в жидкий теплоноситель и выдержку в нем, отличающийся тем, что, с целью обеспечения более полного удаления модельной композиции из формы за счет повышения температуры теплоносителя и уменьшения безвозвратных потерь модельного состава, в качестве теплоносителя используют расплав солей с температурой 160-180°C следующего состава, мас.%: нитрит натрия 48-52; нитрит калия 48-52 [3].
Данный способ имеет ряд недостатков. Вводятся дополнительные технологические операции подготовки раствора жидкого теплоносителя и выдержки керамических оболочек в нем, характеризующиеся высокими трудоемкостью и временными затратами.
Известен способ прокалки керамических форм, получаемых по выплавляемым моделям, включающий сушку керамической оболочки, из которой предварительно удалены модели, и введение кислородсодержащего вещества в керамическую оболочку перед ее прокалкой, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода годных отливок с выступами, у которых отношение высоты к толщине выступа больше 5, керамическую оболочку погружают в насыщенный раствор кислородсодержащего вещества с температурой разложения 200-600°C с последующим удалением упомянутого раствора из полостей керамической оболочки и сушкой последней. В качестве кислородсодержащего вещества используют перманганат калия, натриевую селитру или бертолетову соль. Температуру упомянутого насыщенного раствора кислородсодержащего вещества принимают в 8-10 раз больше остаточного содержания модельной композиции в керамической оболочке [4].
Однако данный способ имеет ряд недостатков. Вводится дополнительная операция приготовления насыщенного раствора окислителя. Высока сложность контроля требуемого содержания и необходимого количества окислителя в растворе. Кроме того, необходимыми становятся затраты на приобретение взрывоопасных веществ (лицензии, разрешения).
Наиболее близким к изобретению является способ изготовления многослойных оболочковых литейных форм по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на блок выплавляемых моделей огнеупорной суспензии, обсыпку зернистым материалом, введение кислородсодержащего вещества, вытопку моделей, сушку и прокалку, отличающийся тем, что кислородсодержащее вещество вводят, начиная со второго слоя оболочки, в составе зернистого материала для обсыпки, к которому добавляют борную кислоту в количестве 2-3% мас. В качестве кислородсодержащего вещества используют дихромат калия или пероксиды щелочноземельных металлов в количестве 5-10% мас. [5].
Однако известный способ не лишен недостатков. Требуются затраты на приобретение кислородсодержащего вещества, количество которого при введении в состав обсыпки примерно в 8-10 раз превышает необходимое количество при введении в суспензию.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решается задача совершенствования технологического процесса в части введения кислородсодержащего вещества. Технический результат - повышение экономичности процесса литья по выплавляемым моделям за счет использования отходов производства и меньшего количества кислородсодержащего вещества, вводимого в суспензию, при высоком качестве оболочковых форм и отливок.
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 кислородсодержащего вещества, начиная со второго слоя оболочки с использованием борной кислоты, обсыпку зернистым материалом, вытопку моделей, сушку и прокаливание, кислородсодержащее вещество вводят в составе материала огнеупорной суспензии, к которой добавляют борную кислоту в количестве 3-4% мас. В качестве кислородсодержащего вещества используют полупродукт переработки шламов селитровых ванн, применяемых в цехах термической обработки для проведения операции отпуска, в количестве 2-4% масс. суспензии.
Полупродукт переработки шламов селитровых ванн представляет собой 10-40%-ный водный раствор калиевой (натриевой) селитры. Его получают путем вымачивания шлама в воде, отделения осадка и слива жидкости, находящейся в верхней части резервуаров, содержащих шлам. Данные операции проводятся на предприятиях, содержащих в своем составе цеха термической обработки, и являются обязательными перед отправлением отходов на утилизацию. Поэтому никаких дополнительных операций не вводится.
Введение определенного количества кислородсодержащего вещества позволяет интенсифицировать процессы удаления остатков модельной композиции и обеспечить выделение тепла экзотермических реакций для повышения спекаемости оболочковых форм и термодеструкции связующего материала оболочки в ходе проведения операции прокаливания оболочковых форм перед подачей их на заливку металлическим расплавом.
При этом уменьшаются затраты предприятий на приобретение кислородсодержащих веществ, а также на проведение утилизации шламов селитровых ванн термических цехов.
Борная кислота, вводимая в состав огнеупорной суспензии, способствует повышению прочности оболочковых форм при их прокаливании и улучшению качества поверхности отливок за счет спекания керамического материала оболочки и уменьшения дефектов типа «гребешок» на поверхности отливок. В ходе прокаливания борная кислота разлагается до борного ангидрида, который в температурном интервале прокаливания оболочковых форм плавится, заполняя макро- и микротрещины, формирующиеся в керамической оболочке в результате полиморфных превращений кварца и выделения кислорода из кислородсодержащего вещества, входящего в состав огнеупорной суспензии.
При содержании борной кислоты менее 3% мас. эффект упрочнения незначителен. Содержание борной кислоты более 4% мас. приводит к образованию большого количества легкоплавких соединений, в результате чего при последующей заливке металлическим расплавом происходит нежелательная диффузия бора в поверхностный слой, что впоследствии затрудняет механическую обработку отливок.
Введение кислородсодержащего вещества в состав огнеупорной суспензии обеспечивает интенсивное выгорание остатков модельной композиции из полостей оболочковой формы, а также снижает время и температурный максимум пребывания оболочковой формы в прокалочной печи. В процессе прокаливания при нагреве выше 400°C обезвоженный окислитель разлагается с выделением значительного количества кислорода. Остатки модельной композиции сгорают, причем этот процесс идет значительно интенсивнее за счет работы дополнительного количества кислорода.
Содержание кислородсодержащего вещества в количестве менее 2% мас. огнеупорной суспензии не обеспечивает полного выгорания остатков модельной композиции из полости оболочковой формы, а более 4% мас. приводит к растрескиванию оболочковых форм из-за интенсивного газовыделения.
Пример осуществления способа
2
3
2
3
Для изготовления огнеупорной суспензии первого слоя оболочковых форм использовались гидролизованный раствор этилсиликата ГОСТ 26371-84, кварц пылевидный молотый марки Б по ГОСТ 9077-82 и серная кислота (в случае применения непрокаленного пылевидного кварца для перевода гидроксида железа в неактивную форму). Перемешивание составляющих огнеупорной суспензии проводилось в гидролизере до получения требуемой рабочей вязкости (с контролем по вискозиметру BЗ-4). При необходимости для доводки суспензии до рабочей вязкости проводили добавление пылевидного молотого кварца. Для изготовления последующих слоев оболочковых форм, начиная со второго, применялась огнеупорная суспензия, содержащая в своем составе 2-4% мас. полупродукта переработки шламов селитровых ванн и 3-4% мас. борной кислоты ГОСТ 18704-78 (помимо компонентов, указанных для получения первого слоя оболочек). В качестве зернистого материала обсыпки применялся кварцевый песок марок 3KO020 ГОСТ 2138-91 для первого слоя и 2KO025 ГОСТ 2138-91 для последующих слоев.
Равномерное покрытие поверхности модельного блока огнеупорной суспензией проводилось послойно путем 2-3-кратного погружения блока в рабочую емкость гидролизера с целью удаления пузырьков воздуха с поверхности блока и предоставления возможности стекания избытку суспензии. Обсыпка каждого слоя оболочковых форм зернистым материалом осуществлялась в псевдокипящем потоке в пескосыпе. Сушку каждого слоя проводили на воздухе в течение 5-6 часов при температуре 22-28°C и влажности не выше 60%. Общее количество слоев оболочковой формы - пять.
Нанесение огнеупорной суспензии на первый (рабочий) слой оболочковых форм проводилось без применения добавки кислородсодержащего вещества и борной кислоты, поскольку это ухудшило бы качество поверхности отливок из-за повышенной шероховатости.
Вытопка моделей осуществлялась горячей водой при температуре 90-99°C. Далее проводилась сушка оболочковых форм на воздухе в течение 2,0 ч. Затем проводилась формовка оболочковых форм в прокалочные опоки с использованием в качестве наполнителя измельченного керамического боя оболочек. Прокаливание оболочковых форм в опорном наполнителе в прокалочной печи СНО 8.16.5/10И2 осуществлялось по режиму: нагрев до 700°C со скоростью не более 150°C в час с выдержкой при температурном максимуме 4,0-6,0 ч.
В многослойных оболочковых формах изготавливались отливки «Кронштейн» массой 120 г из стали 20Л ГОСТ 977-88 (по восемь отливок в форме). Заливка форм проводилась при температуре 1550-1570°C.
Результаты промышленных испытаний, проведенных согласно предлагаемому способу, представлены в таблицах 1 и 2.
Испытания показали эффективность предлагаемого способа при высоком качестве оболочковых форм и отливок.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №495140, кл. B22C 9/04, 1976.
2. Патент на изобретение РФ №2343037, кл. B22C 9/04, 2009.
3. Авторское свидетельство СССР №1155347, кл. B22C 7/02, 9/04, 1985.
4. Авторское свидетельство СССР №829316, кл. B22C 9/12, 1981.
5. Патент на изобретение РФ №2433013, кл. B22C 9/04, 2011 - прототип.
Таблица 1
Содержание борной кислоты H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub> в суспензии, % масс.
Содержание полупродукта шламов селитровых ванн в суспензии, % масс.
Выход годных отливок, %
Примечания
1,0
2,0-4,0
55,0
«Гребешки» на поверхности отливок из-за растрескивания оболочек
2,0
80,0
«Гребешки» на поверхности отливок из-за растрескивания оболочек
3,0
98,0
-
4,0
100
-
5,0
75,0
Неметаллические включения в поверхностном слое отливок
Таблица 2
Содержание полупродукта шламов селитровых ванн в суспензии, % масс.
Содержание борной кислоты H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub> в суспензии, % масс.
Выход годных отливок, %
Примечания
0,5
3,0-4,0
50,0
Остатки сажистого углерода в поверхностном слое отливок
1,0
75,0
1,5
80,0
2,0
95,0
-
2,5
100
-
3,0
93,0
-
3,5
97,0
-
4,0
100
-
4,5
65,0
Высокая шероховатость поверхности отливок и «гребешки»
5,0
0
Брак форм по трещинам после прокаливания до заливки