СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЗЕРНИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
METHOD OF PREPARING GRANULAR MATERIALS FOR PRODUCTION OF CERAMIC MOULDS AND RODS

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления керамических форм и стержней на этилсиликатном связующем 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 гелеобразователем этилсиликатного связующего (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 гелеобразователь, внедряется при обсыпке в слой суспензии, взаимодействует с этилсиликатным связующим и образует каркасную структуру из центров гелеобразователя. 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, включающий впрыскивание смеси из раствора жидкого стекла и феррохромового шлака в непрерывно перемешиваемый зернистый материал, например кварцевый песок, с удельной скоростью (3…20)×10 кг/с на 1 м обрабатываемой поверхности частиц зернистого материала (RU 1766577. Способ подготовки зернистых материалов для изготовления керамических форм и стержней. В.М.Александров, Б.А.Кулаков, Л.Г.Знаменский и др. Бюллетень изобретений №37, 1992 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 существенные недостатки:
- невысокая адгезия гелеобразующей смеси к частицам зернистого материала приводит к удалению гелеобразователя при многократном использовании псевдоожиженного плакированного зернистого материала в качестве обсыпки слоев огнеупорной суспензии в литье по выплавляемым моделям;
- удельная скорость впрыскивания, принятая в прототипе, не обеспечивает в должной степени получение одинакового по толщине плакирующего слоя гелеобразователя на частицах зернистого материала;
- вследствие применения такого плакированного зернистого материала в качестве обсыпки нарушается стабильность в получении физико-механических свойств керамических форм и стержней, в частности, продолжительности отверждения слоев суспензии и прочностных характеристик, в особенности при изготовлении последних образцов в партии (первые формы имеют ускоренный цикл формообразования и повышенную прочность, последние - ухудшенные физико-механические свойства, в частности увеличенную продолжительность затвердевания и низкие прочностные характеристики);
- в результате нестабильности физико-механических характеристик получаемых форм и стержней не удается обеспечить высокого качества изготовления точных отливок, в особенности тонкорельефных и крупногабаритных;
- нарушение равномерности распределения гелеобразователя и его слабая адгезия к частицам зернистого материала вызывает появление относительно невысоких значений прочностных свойств керамических форм и стержней при ускоренном цикле их формообразования, что особенно отрицательно сказывается на качестве точных отливок повышенной массы вследствие усиленного теплового и механического воздействия заливаемого металла на керамические формы и стержни.
В основу изобретения положена техническая задача - создать такой способ подготовки обсыпочного материала в литье по выплавляемым моделям, который обеспечил бы ускоренный цикл формообразования и одновременное повышение прочностных характеристик форм и стержней, определяющих технологическую стабильность и улучшение качества изготовления точных отливок, в особенности тонкорельефных и крупногабаритных.
-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 гелеобразующей смеси из раствора жидкого стекла и феррохромового шлака в псевдоожиженный слой зернистого материала, согласно изобретению впрыскивание смеси осуществляют 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.
-6
2
Удельная скорость впрыскивания (1…5)×10 кг/с на 1 м поверхности частиц зернистого материала обеспечивает равномерность распределения гелеобразующей смеси на частицах зернистого материала. Непрерывное воздействие на материал электрическим полем вызывает усиление адгезии гелеобразователя к частицам зернистого материала. При этом напряженость электрического поля в пределах 100…500 В/м обеспечивает высокую степень равномерности распределения и адгезии гелеобразователя на частицах зернистого материала.
В результате создаются условия для качественного плакирования зернистого материала гелеобразователем и его многократного использования в качестве обсыпки слоев огнеупорной суспензии в литье по выплавляемым моделям, обеспечивая ускоренный цикл изготовления форм и стержней и их повышенные физико-механические характеристики, улучшающие качество точного литья.
Предлагаемый способ подготовки зернистых материалов для изготовления керамических форм и стержней в литье по выплавляемым моделям осуществляют следующим образом.
3
-6
2
Жидкое стекло (модуль 2,6…3,0, плотностью 1,15…1,25 г/см) смешивают с феррохромовым шлаком в соотношении (3…2):1 по массе. Полученную гелеобразующую смесь впрыскивают в находящийся в псевдоожиженном состоянии в пескосыпе зернистый материал. Причем скорость впрыскивания составляет (1…5)×10 кг/с на 1 м поверхности частиц зернистого материала.
-6
2
-6
2
При удельной скорости впрыскивания гелеобразующей смеси менее 10 кг/с на 1 м поверхности частиц зернистого материала нарушается равномерность распределения на них плакирующего слоя. Если удельная скорость впрыскивания будет больше, чем 5×10 кг/с на 1 м поверхности частиц зернистого материала, то резко снижается эффективность зарядки частиц при последующей обработке в электрическом поле и, как следствие, уменьшается адгезия плакирующего слоя гелеобразователя к зернам обсыпки. В результате этого создаются условия для нежелательного удаления гелеобразователя с частиц зернистого материала при многократном использовании подготовленного материала в псевдоожиженном состоянии (состояние «кипящего» слоя) для обсыпки слоев огнеупорной суспензии в литье по выплавляемым моделям. Поэтому не удается достичь стабильности в получении ускоренного цикла формообразования и повышенных прочностных характеристик керамических форм и стержней.
В процессе впрыскивания гелеобразующей смеси осуществляют обработку плакируемого зернистого материала электрическим полем. Для этого к агрегату создания кипящего слоя подается электрическое поле напряженостью 100…500 В/м.
Напряженость электрического поля менее 100 В/м при обработке зернистого материала не обеспечивает требуемую зарядку частиц и усиление адгезии гелеобразователя к зернам. При напряжености электрического поля больше, чем 500 В/м необоснованно возрастают энергетические затраты без существенного увеличения сил адгезии плакирующего слоя к частицам плакирующего материала.
Подготовленный зернистый материал используют в качестве обсыпки слоев огнеупорной суспензии при изготовлении керамических форм и стержней на этилсиликатном связующем в литье по выплавляемым моделям. При этом нанесенная в электрическом поле на частицы зернистого материала смесь взаимодействует со связующим, вызывая его быстрое и одновременное огеливание в слое покрытия.
2
В качестве зернистого материала могут использоваться шлифзерно электрокорунда №16-80, сеяный шамот зернистостью 0,25…1 мм, кварцевый песок групп 016, 02, 025, 03. Удельная поверхность таких материалов 4…16 м/кг.
Предлагаемый способ подготовки зернистых материалов для изготовления керамических форм и стержней в литье по выплавляемым моделям иллюстрируется следующим примером.
3
-6
2
2
3
Пример. Водный раствор натриевого жидкого стекла (ГОСТ 13078-81) модулем 3,0 и плотностью 1,2 г/см в мешалке лабораторного типа смешивали с феррохромовым шлаком (ТУ 14-11-325-97) в соотношении (2…3):1 по массе в течение 3 минут. Количество смеси - 3% от массы обрабатываемого песка марки 2КО03 (ГОСТ 2138-91). Полученную смесь впрыскивали с удельной скоростью 3×10 кг/с на 1 м поверхности частиц зернистого материала при помощи пульверизатора в песок, находящийся в псевдоожиженном состоянии (установка «кипящего» слоя). Одновременно к агрегату кипящего слоя подключали источник электрического напряжения. При этом варьировали напряженость электрического поля 100, 300, 500 В/м. Параллельно осуществляли обработку песка согласно прототипу.
Полученные пески использовали в качестве обсыпки слоев покрытия при изготовлении керамических форм и стержней в литье по выплавляемым моделям. Для нанесения слоев готовили суспензию на гидролизованном растворе этилсиликата (ЭТС-40, ГОСТ 26371-84) с условным содержанием кремнезема 20 мас.% и прокаленном пылевидном кварце. Вязкость первого слоя суспензии по вискозиметру ВЗ-4 составляла 75…80 с, а последующих - 60…70 с. Сравнительные данные способов приведены в таблице.
Сравнительные данные способов подготовки зернистых материалов
Наименование показателей
Прототип
Разработанный способ при напряженности электрического поля, В/м
100
300
500
1. Продолжительность затвердевания каждого слоя суспензии, мин
45…90
15
25
30
2. Продолжительность изготовления 4-слойной формы, ч
3…6
1
1,8
2
3. Прочность керамических образцов при изгибе, МПа:
- после вытопки моделей;
2,8…3,4
4,5
6,8
6,5
- в горячем состоянии при 900°С
3,5…4,1
6,5
8,0
8,2
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 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.