Способ удаления модельного блока из керамической формы в литье по выплавляемым моделям
METHOD FOR REMOVING A MODEL BLOCK FROM A CERAMIC MOLD IN INVESTMENT CASTING

Изобретение относится к литью по выплавляемым моделям и применяется при изготовлении керамических литейных форм по выплавляемым моделям.
Известен способ удаления модельного состава из керамической формы, осуществляемый следующим образом: с целью подплавления модельного состава на границе «воск-форма», форму погружают на 3-5 минут в горячую воду, нагретую до температуры 90-95°С, после чего производят выплавление модельного состава горячим воздухом, нагретым до температуры 150-160°С в течение 15-17 минут. После удаления модельного состава форму промывают в горячей воде и подвергают сушке при температуре 250-300°С (Авторское свидетельство SU №349468, МПК В22С 9/04, публ. 04.09.1972)
Способ несовершенен, характеризуется повышенными трудозатратами из-за двухстадийного цикла удаления модельного состава и пригоден для низкотемпературных парафин-стеариновых модельных составов.
Известен способ выплавления восковых моделей в горячем воздухе, который подают со скоростью 10-20 м/с и одновременно с ним на модель воздействуют сухим насыщенным водяным паром в течение 2-20 минут (Авторское свидетельство SU №1141643, МПК В22С 9/04, В22С 9/12, публ. 20.08.1997).
Способ, направленный на улучшение качества форм за счёт устранения трещин на формах, характеризуется повышенными трудозатратами, низкой эффективностью и пригоден для низкотемпературных парафин-стеариновых модельных составов.
Известны способы выплавления восковых моделей в электромагнитном поле сверхвысокой частоты (Патент RU №2283721, МПК В22С 9/04, публ. 20.09.2006), (Патент RU №2312733, МПК В22С 9/04, публ. 20.12.2007).
К недостаткам способов удаления восковых моделей в электромагнитном поле сверхвысокой частоты следует отнести неравномерность нагрева форм, необходимость введения в состав форм компонентов, обладающих большими потерями СВЧ-энергии, несовершенство технологии удаления восковых моделей для серийного производства.
Известен способ выплавления восковых моделей в стальной ванне с горячей водой, в состав которой вводят добавки лаурилсульфата и соляной кислоты в суммарном количестве 0,8-1,0% мас. от массы воды до достижения водородным показателем уровня значения рН < 5 и гексаметилентетрамина из расчёта 2 г/л воды (Патент RU №2707642, МПК В22С 7/02, В22С 29/00, публ. 28.11.2019).
К недостаткам способа удаления восковых моделей следует отнести большую вероятность попадания керамических включений в полость формы, большую вероятность разрушения форм, снижение прочности форм после их обработки в горячей воде, способ пригоден для низкотемпературных парафин-стеариновых модельных составов.
В качестве прототипа для предлагаемого изобретения выбран наиболее близкий по технической сущности способ удаления модельного блока из керамической формы (формы), предварительно охлаждённой на 7-16°С путём помещения её в холодную среду. В процессе охлаждения формы с восковой моделью происходит их неравномерная термическая усадка из-за большой разницы в коэффициентах термического расширения материалов, из которых они изготовлены. Эта неравномерная термическая усадка материала форм и восковой модели (блока) приводит к появлению между ними зазора, препятствующего значительному механическому воздействию расширяющегося воска на форму, поэтому форма не растрескивается, а разогревается до высокой температуры, тем самым расплавляя воск, который, вследствие своей жидкотекучести, удаляется за пределы формы, снижая давление на форму, что предотвращает её растрескивание (Патент RU №2509622, МПК В22С 9/04, публ. 20.03.2014).
Способ, направленный на предотвращение растрескивания формы восковой моделью при её нагреве, характеризуется низкими трудозатратами и позволяет избежать расходов на приобретение дорогостоящего оборудования (бойлерклава), при этом, несовершенство способа связано с вытапливанием воска либо в горячей воде, нагретой до 95°С, либо в горячем воздухе, нагретом до 150°С, либо в расплаве модельного состава, нагретого до 120°С, что приводит к снижению производительности процесса. Кроме того, не приводятся данные о времени вытапливания воска в теплоносителях.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения, и невозможно обеспечить при использовании прототипа, является растрескивание форм при выплавлении из них восковых моделей, низкий выход годных керамических форм для последующего получения отливок.
Технической задачей предлагаемого изобретения является исключение растрескивания форм при удалении из них восковых моделей, повышение качества керамических форм, увеличение выхода годных керамических форм, сокращения времени вытапливания форм в бойлерклаве, снижение расходов на производство при использовании доступных материалов.
Техническая проблема решается тем, что в способе удаления модельного блока из керамической формы в литье по выплавляемым моделям, состоящего из воскового модельного состава, на котором сформирована керамическая форма, при этом модельный блок содержит как минимум одну восковую модель, согласно изобретению, дополнительно керамическую форму с модельным блоком размещают в бойлерклаве, а перед размещением в бойлерклаве осуществляют пропитку керамической формы с модельным блоком водой методом замачивания в течение 3-5 минут, после чего в бойлерклаве в течение 7-9 минут удаляют вытапливанием модельный блок, далее после удаления модельного блока проводят предварительную прокалку керамической формы при температуре 740-750°С в течении 3-4 часов.
Кроме того, согласно изобретению, пропитку керамической формы осуществляют водой комнатной температуры.
Кроме того, согласно изобретению, пропитку керамической формы осуществляют водой питьевой или технической, или дистиллированной.
Как и в прототипе, в способе осуществляется удаление воскового блока из керамической формы в литье по выплавляемым моделям, состоящего из воскового модельного состава, на котором сформирована керамическая форма, при этом модельный блок содержит как минимум одну восковую модель.
В отличии от прототипа, дополнительно керамическую форму с модельным блоком размещают в бойлерклаве, а перед размещением в бойлерклаве осуществляют пропитку керамической формы с модельным блоком водой методом замачивания в течение 3-5 минут, после чего в бойлерклаве в течение 7-9 минут удаляют вытапливанием модельный блок, далее после удаления модельного блока проводят предварительную прокалку керамической формы при температуре 740-750°С в течении 3-4 часов.
При этом осуществляют пропитку водой керамической формы с модельным блоком методом замачивания в течение 3-5 минут.
Если осуществляют пропитку керамической формы с модельным блоком водой методом замачивания менее 3 минут, то утолщённые стенки формы недостаточно пропитаются водой.
Пропитка водой более 5 минут не целесообразна поскольку 5 минут замачивания достаточно для сквозного проникновения воды в форму любой толщины.
В бойлерклаве в течение 7-9 минут удаляют вытапливанием модельный блок.
Если вытапливание модельного блока в бойлерклаве проводить менее 7 минут, то велика вероятность не полного удаления воска из формы, при этом, нахождение формы в бойлерклаве более 9 минут не целесообразно, поскольку форма уже освобождена от воска.
Проводят предварительную прокалку керамической формы при температуре 740-750°С в течении 3-4 часов для гарантированного удаления кристаллизационной воды и органической составляющей восков.
Если после удаления модельного блока проводят предварительную прокалку керамической формы при температуре менее 740°С, то возникает вероятность не полного удаления вредных примесей.
Если после удаления модельного блока проводят предварительную прокалку керамической формы при температуре более 750°С, то в составе формы возможно образование α - кристобалита, что чревато разрушением форм при их повторном нагреве под заливку.
Если после удаления модельного блока проводят предварительную прокалку керамической формы в течении менее 3 часов, то возникает вероятность не полного удаления вредных примесей.
Если после удаления модельного блока проводят предварительную прокалку керамической формы в течении более 4 часов, то снижается производительность процесса.
В отличии от прототипа, бойлерклавная обработка керамической формы обеспечивает форсированный нагрев формы и быстрое начало плавления материала восковой модели с образованием зазора на границе раздела «воск-форма», появление которого в значительной мере снижает давление расплава на форму, достигающего величины 7,5 атм.
Пропитка форм возможна водой питьевой по ГОСТ Р 51232, или технической водой по ГОСТ 23732, или дистиллированной водой по ГОСТ 6709.
В отдельных случаях, даже бойлерклавная обработка форм с наличием восковых моделей, заканчивается их разрушением, что связано с процессами расширения воска при его нагреве и плавлении. Известно, что объёмное расширение воска при нагреве и плавлении уже при температуре 70°С составляет 15%, при этом, объёмное расширение формы, при этой же температуре, составляет всего 0,02%, поэтому, для исключения растрескивания форм, горячий пар из бойлерклава должен достичь поверхности воска до того момента, как воск начнёт расширяться, разрушая форму.
При наличии в материале форм воздушных пор, объём которых составляет до 35%, перенос тепла в формах следует рассматривать как перенос тепла в воздухе. При прочих равных условиях, связанных с теплопроводностью керамического состава форм, теплопроводность (λ) воздуха при температуре 20°С составляет 0,026 Вт/м×К, теплопроводность (λ) водяного пара при температуре 150°С составляет 0,024 Вт/м×К, теплопроводность (λ) воды при температуре 20°С составляет 0,60 Вт/м×К, а теплопроводность (λ) воска при температуре 150°С составляет 0,25 Вт/м×К. Таким образом, если перед размещением формы в бойлерклаве, керамическую форму пропитать водой комнатной температуры, то теплопроводность форм увеличится до 23 раз, что безусловно окажет положительное влияние как на качество отливок, за счёт повышения качества форм, так и на снижение расходов на производство, за счёт снижения брака отливок, сокращения времени вытапливания форм в бойлерклаве до 7-9 минут, при этом, проблема решается простым и доступным способом, не требующим коренных изменений в существующем технологическом процессе.
Предлагаемое изобретение исключает растрескивание форм при удалении из них восковых моделей в бойлерклаве, повышает качество будущих изготовленных отливок, снижает расходы на производство, за счёт снижения брака керамических форм, сокращает время вытапливания форм в бойлерклаве с 20 минут до 7-9 минут, позволяет использовать недорогие и доступные материалы.
Приведены примеры осуществления изобретения.
Пример 1. Удаляли модельный блок, состоящий из воскового модельного состава, на котором сформирована керамическая форма, при этом модельный блок содержал одну восковую модель. Перед размещением в бойлерклаве керамическую форму с модельным блоком замачивали в питьевой воде комнатной температуры в течение 3 минут, после чего в бойлерклаве в течение 7 минут удаляли вытапливанием модельный блок, а после удаления модельного блока, проводили предварительную прокалку керамической формы при температуре 750°С в течении 3 часов.
Пример 2. Удаляли модельный блок, состоящий из воскового модельного состава, на котором сформирована керамическая форма, при этом модельный блок содержал 5 восковых моделей. Перед размещением в бойлерклаве керамическую форму с модельным блоком замачивали в технической воде комнатной температуры в течение 4 минут, после чего в бойлерклаве в течение 8 минут удаляли вытапливанием модельный блок, а после удаления модельного блока, проводили предварительную прокалку керамической формы при температуре 745°С в течении 4 часов.
Пример 3. Удаляли модельный блок, состоящий из воскового модельного состава, на котором сформирована керамическая форма, при этом модельный блок содержал 3 восковых модели. Перед размещением в бойлерклаве керамическую форму с модельным блоком замачивали в дистиллированной воде комнатной температуры в течение 5 минут, после чего в бойлерклаве в течение 9 минут удаляли вытапливанием модельный блок, а после удаления модельного блока проводили предварительную прокалку керамической формы при температуре 740°С в течении 3 часов.
Положительный технический результат, выражающийся в отсутствии разрушения керамических форм после их обработки в бойлерклаве, получен во всех приведённых примерах осуществления. По заявленному способу успешно проведены экспериментальные работы, способ рекомендован к использованию в производстве.
Таким образом, предлагаемое изобретение с вышеуказанными отличительными признаками, в совокупности с известными признаками, обеспечивает получение литейных керамических форм без разрушения, повышение качества керамических форм и времени вытапливания модельного блока керамической формы в бойлерклаве, увеличивается выход годных керамических форм для получения последующего получения отливок, при этом используются доступные материалы, а технологический процесс, основанный на использовании предложенного изобретения, доступен.