СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
MANUFACTURING METHOD OF SHELL MOULDS INTO INVESTMENT CASTING

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления керамических оболочковых форм в точном литье по выплавляемым моделям (ЛВМ).
Известны способы изготовления оболочковых форм, по которым на выплавляемой модели формируют слои из суспензий, включающих в качестве связующего материала гидролизованные растворы этилсиликата и пылевидный кварц в качестве огнеупорного наполнителя, с обсыпкой каждого слоя кварцевым песком, сушку слоев, выплавку моделей из форм, прокалку форм (Литье по выплавляемым моделям / В.Н.Иванов и другие. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - С.208-340).
В известных способах преимущественно используют в качестве огнеупорного наполнителя диоксид кремния в виде пылевидного кварца и зернового обсыпочного материала в виде кварцевого песка, которые не обеспечивают получение качественных отливок из-за высокого термического расширения кварца, приводящего к деформациям и растрескиванию оболочек при прокалке и заливке их металлом.
Для уменьшения термического расширения кварцевосодержащих огнеупорных наполнителей и обсыпочных зерновых материалов в ЛВМ применяют различные минералогические модификации кварца или используют технологические добавки в огнеупорных суспензиях и обсыпочных материалах.
Известен способ изготовления оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на выплавляемую модель суспензии на основе огнеупорного материала с этилсиликатным связующим и последующую обсыпку кварцевым песком каждого слоя, по которому для уменьшения термических деформаций оболочек в качестве обсыпочного материала, начиная с третьего слоя, используют кварцевый песок с добавкой до 30 мас.% электрокорунда (RU 2297302, B22C 9/04, заявл. 2004.11.18, опубл. 2006.05.10).
Недостатком данного способа является то, что добавка электрокорунда уменьшает термические расширения лишь в поверхностном слое оболочки, сформированном частью обсыпочного материала из электрокорунда. Однако остальной не охваченный электрокорундом объем слоя оболочки, сформированный из суспензии на основе пылевидного кварца в качестве огнеупорного наполнителя и оставшейся части обсыпочного материала до 70% из кварцевого песка, сохраняет опасность протекания термического расширения в нем при нагреве оболочек в процессе прокалки и заливки форм металлом.
Известен способ изготовления литейных керамических форм, получаемых по выплавляемым моделям, включающий нанесение на выплавляемую модель не менее двух слоев суспензии на этилсиликатном связующем, последующее нанесение не менее двух слоев, получаемых на жидкостекольном связующем, сушку каждого слоя, вытопку модели, по которому для повышения качества литейных керамических форм для формирования последнего слоя из суспензии на этилсиликатном связующем в нее вносят технологическую добавку в виде фтористого натрия (RU №2177856, B22C 9/04; заявл. 2000.09.01; опубл. 2002.01.10).
Недостаток аналога состоит в том, что фтористый натрий при взаимодействии с кварцевым огнеупорным наполнителем в процессе прокаливания снижает огнеупорность оболочек за счет образования легкоплавкого соединения в виде силиката натрия и может привести к образованию трещин и просечек металла в отливках (Литье по выплавляемым моделям / В.Н.Иванов и другие. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - С.194).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является изобретение, по которому для изготовления керамических оболочковых форм по выплавляемым моделям применяется суспензия, включающая гидролизованный этилсиликат в качестве связующего и огнеупорный наполнитель, в которую для повышения прочности керамической формы при высоких температурах и ее термостойкости вводят технологическую добавку в виде легкоплавкой эмали и материалов с тугоплавкими соединениями (RU №2283720, B22C 1/16, заявл. 2005.03.25, опубл. 2006.09.20).
Недостаток данной суспензии состоит в том, что для получения требуемой прочности и термостойкости оболочек необходимо производить подбор состава технологической добавки из легкоплавких эмалей и тугоплавких материалов в зависимости от условий применяемой технологии, предъявляемых требований к качеству форм и номенклатуры изготовляемых отливок по их массе и габаритам.
Задачей изобретения является разработка такого способа изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям, при реализации которого оболочки, получаемые из суспензий на основе гидролизованных растворов этилсиликата и кварцевого огнеупорного наполнителя, имели бы высокую прочность при высокой температуре и термостойкость.
Задача решается тем, что в способе изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям, включающем нанесение на выплавляемую модель слоев суспензии на основе гидролизованных растворов этилсиликата, пылевидного кварца в качестве огнеупорного наполнителя и технологической добавки с обсыпкой каждого слоя зерновым огнеупорным материалом, сушку слоев, выплавку моделей и прокалку форм, согласно изобретению в качестве технологической добавки в суспензии используют коллоидальный микро-нано-размерный кремнезем.
Отличием способа является то, что в суспензии используют коллоидальный микро-нано-размерный кремнезем в количестве 0,5-30% от массы огнеупорного наполнителя.
Другое отличие способа состоит в том, что в качестве коллоидального микро-нано-размерного кремнезема в суспензиях используют дисперсную пыль от рукавных фильтров систем газоочистки ферросплавных печей, образующейся при выплавке кремнийсодержащих сплавов.
Кроме того, в способе в качестве коллоидального микро-нано-размерного кремнезема используют золу-унос в виде дисперсной пыли от фильтров угольных тепловых электростанций (ТЭЦ).
Дополнительное введение в состав суспензии на основе гидролизованного этилсиликата технологической добавки в виде коллоидального микро-нано-размерного кремнезема повышает общее содержание в связующем материале - растворе гидролизованного этилсиликата коллоидного кремнезема с микро-нано-размерными частицами.
В настоящее время указанный ваше термин: «коллоидальный микро-нано-размерный кремнезем» широко не применяется в литературе и технической документации по литейному производству, однако, учитывая важность влияния размеров коллоидальных частиц кремнезема на прочностные и термомеханические свойства суспензий и оболочек, его применение в значительной степени определяет сущность изобретения.
Обычно в жидких растворах частицы с микро-нано-размерными характеристиками называют «коллоидными» частицами, а твердые дисперсные частицы с микро-нано-размерными характеристиками - «коллоидальными». При введении в жидкие растворы твердого «коллоидального» материала он адсорбирует гидратные оболочки из раствора и приобретает свойства «коллоидных» частиц, характеризующихся высокой седиментационной устойчивостью в жидких растворах.
Коллоидальный микро-нано-размерный кремнезем, получаемый при сборе дисперсной пыли с рукавных фильтров систем газоочистки ферросплавных печей и угольных электростанций, содержит рентгеноаморфный кремнезем в виде диоксида кремния с различными по размерам коллоидальными частицами.
Размерный анализ коллоидального материала, полученный методом гидростатического разделения, показал, что коллоидальный кремнезем из пыли от рукавных фильтров систем газоочистки содержит частицы со следующим размерным распределением: частицы с размером 10-30 микрометр (микроразмерный кремнезем) от 22 до 35%; частицы с размером 50-100 нанометр (наноразмерный кремнезем) от 60 до 70%; частицы с размером от 800 пикометр до 50 нанометр - остальное.
Учитывая, что указанный коллоидальный кремнезем в преобладающем количестве содержит частицы с микро- и наноразмерным распределением, материал технологической добавки в суспензии назвали коллоидальный микро-нано-размерный кремнезем.
Обычно в промышленных технологиях точного литья по выплавляемым моделям применяют процесс гидролиза этилсиликата из расчета получения в связующем материале суспензий содержания коллоидного кремнезема от 12 до 18 мас.%. При содержаниях в связующем суспензий коллоидного кремнезема до 12 мас.% оболочковые формы имеют низкие значения прочности и термостойкости. При содержаниях в связующем суспензий коллоидального кремнезема более 16-18 мас.% прочности оболочек значительно возрастают. Но получение в гидролизованном связующем высоких содержаний коллоидного кремнезема приводит к увеличению стоимости суспензий из-за повышенного расхода для этих целей исходного дорогостоящего этилсиликата.
Вместе с тем дополнительное введение в состав суспензии коллоидального кремнезема с микро-нано-размерными частицами увеличивает общее содержание коллоидного кремнезема в связующем материале - гидролизованном этилсиликате. При этом прочность оболочек увеличивается, что позволяет сокращать расход исходного этилсиликата и уменьшать брак оболочек при сушке и выплавке моделей.
Учитывая, что коллоидальный микро-нано-размерный кремнезем показывает на рентгенограммах минеральную структуру аморфного кремнезема и имеет низкие значения коэффициента термического расширения, применение его в составах этилсиликатных суспензий повышает термостойкость оболочек при их прокаливании и заливке металлом.
Дисперсные пыли в виде микро-нано-размерного кремнезема от рукавных фильтров ферросплавных печей и угольных ТЭЦ являются отходом этих производств и их использование в литейных технологиях способствует утилизации отходов и снижению себестоимости литой продукции.
Примеры реализации изобретения.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Для приготовления суспензий использовали следующие исходные материалы: этилсиликат марки ЭТС-40, пылевидный кварц марки КП-1, соляную кислоту, ортофосфорную кислоту, водопроводную воду, в качестве технологической добавки микро-нано-размерный кремнезем, получаемый из дисперсной пыли от рукавных фильтров ферросплавной печи при выплавке ферросилиция ФС75 и от фильтров систем газоочистки, например Троицкой ТЭЦ (Челябинской обл.).
Суспензии готовили в стандартном гидролизере конструкции «НИИТАвтопром». Гидролиз ЭТС-40 и приготовление суспензии проводили совмещенным способом (Литье по выплавляемым моделям/В.Н.Иванов и другие. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - С.220-223).
Технологическую добавку в расчетном количестве вводили перед введением основной массы огнеупорного наполнителя или в готовую суспензию при доводке ее вязкости. Вязкость суспензии контролировали по прибору ВЗ-4 и во всех случаях поддерживали ее в пределах 60-65 сек.
При изготовлении формоблоков из опытных суспензий параллельно готовили стандартные образцы для испытания на прочность при высоких температурах - «Горячую прочность» и термостойкость. При этом технологические операции во всех случаях поддерживались с одинаковыми режимами.
г
«Горячую прочность» образцов при изгибе σ определяли стандартным методом на изгиб в электрической нагревательной печи при температуре 900°С.
ц
Термостойкость оболочек определяли по степени изменения циклической прочности образцов на изгиб σ, обработанных по схеме: нагрев при 900°С с выдержкой 30 мин, последующее охлаждение до 25°С. При этом выбран трехкратный цикл обработки из одной и той же группы образцов. Результаты приняты средние по трем измерениям для каждого цикла «нагрев-охлаждение».
Для сравнения изготовлены также образцы из суспензии прототипа с технологической добавкой в виде смеси из эмали и тугоплавкого соединения в количестве 28 мас.%. При этом добавки выбраны из группы рекомендованных в прототипе легкоплавких соединений - эмаль марки ЭВТ-24 и из группы тугоплавких соединений - силицид хрома.
Результаты испытаний способа представлены в таблице 1 при использовании микро-нано-размерного кремнезема в виде дисперсной пыли от рукавных фильтров ферросплавной печи при выплавке ферросилиция ФС75 и в таблице 2 при использовании микро-нано-размерного кремнезема от фильтров системы газоочистки угольной ТЭЦ.
Таблица 1
Показатель испытания
Содержание технологической добавки, мас.%
Прототип
0,2
0,5
1,5
5
7
15
25
30
40
σ<sub>г</sub>, МПа
0,82
0,91
1,22
1,34
1,42
1,51
1,89
2,62
3,57
4,87
σ<sub>ц</sub>, МПа, 1 цикл
0,76
0,89
1,21
1,32
1,42
1,49
1,88
2,56
3,57
5,12
2 цикл
0,53
0,72
0,98
1,23
1,28
1,43
1,76
2,46
3,12
4,56
3 цикл
0,24
0,41
0,76
1,12
1,21
1,38
1,68
2,23
2,87
4,02
Таблица 2
Показатель испытания
Содержание технологической добавки, мас.%
Прототип
0,2
0,5
1,5
5
7
15
25
30
40
σ<sub>г</sub>, МПа
0,82
0,72
1,01
1,12
1,32
1,42
1,64
2,36
2,78
3,55
σ<sub>ц</sub>, МПа, 1 цикл
0,76
0,77
1,01
1,02
1,32
1,43
1,66
2,34
2,67
3,62
2 цикл
0,53
0,63
0,62
0,83
1,18
1,12
1,46
2,16
2,03
2,97
3 цикл
0,24
0,34
0,36
0,42
1,01
1,08
1,38
2,04
1,77
2,32
Из таблицы 1 видно, что даже при содержании микро-нано-размерного кремнезема около 0,2 мас.% происходит повышение «Горячей прочности» и термостойкости в сравнении с прототипом. Однако за нижний предел горячей прочности принято содержание 0,5 мас.%, которое гарантированно повышает показатели качества оболочек при изготовлении отливок с малой массой. За верхний предел содержания технологической добавки принято 30 мас.%, так как это содержание гарантированно обеспечивает высокие значения прочности и термостойкости оболочек при изготовлении отливок с большой массой и габаритными размерами.
При более высоких содержаниях технологической добавки термические свойства оболочек сильно возрастают, но из экономических соображений верхний предел ограничен содержанием 30 мас.%.
Примерно такой же характер изменения термических свойств оболочек достигается при использовании в суспензиях в качестве микро-нано-размерного кремнезема из дисперсной пыли от фильтров систем газоочистки угольной ТЭЦ. Однако установлено, что показатели качества при этом достигаются несколько ниже, чем при использовании дисперсной пыли от рукавных фильтров ферросплавной печи, хотя эти показатели во всех случаях выше, чем достигаются при использовании суспензии по прототипу.
Таким образом, реализация способа с использованием в суспензиях на основе гидролизованных растворов этилсиликата в качестве технологической добавки микро-нано-размерного кремнезема позволяет обеспечить повышение прочности оболочек при высоких температурах и их термостойкости для изготовления широкого ряда номенклатуры отливок по массе и габаритам в едином потоке конвейерного производства точного литья.
Данный способ также можно эффективно применять в условиях индивидуального производства с большим разнообразием номенклатуры точного литья, так как высокая термостойкость этилсиликатной керамики позволяет проводить прокалку оболочек в одинаковых температурных условиях с высокой гарантией получения качественных отливок при заливке форм металлом.