СУСПЕНЗИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ В ЛИТЬЕ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
SUSPENSION FOR MANUFACTURING OF CERAMIC SHELL MOULDS INTO FOUNDRING BY DISPENSABLE PATTERN

Изобретение относится к литейному производству, в частности к суспензиям для изготовления керамических оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям (ЛВМ).
В ЛВМ широко известно применение для изготовления керамических оболочковых форм суспензий на основе гидролизованных растворов этилсиликата, в которых в качестве растворителя этилсиликата используют органические растворители ацетон или этиловый спирт (Литье по выплавляемым моделям / В.Н.Иванов и другие. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - С.176-239).
Недостатками известных из литературы суспензий на основе связующего материала в виде гидролизованных органическими растворителями растворов этилсиликата (ГРЭТС) являются высокий брак оболочек по трещинам и разрушениям из-за недостаточной их прочности и термостойкости, а также высокий брак отливок по газовым раковинам, связанный с низкой газопроницаемостью и высокой газотворностью керамических оболочек.
Для повышения прочности, термостойкости, газопроницаемости и снижения газотворной способности оболочковых форм, изготовляемых из суспензий на основе ГРЭТС, в составах суспензий широко применяют различные технологические добавки.
Известна суспензия для изготовления керамических форм по выплавляемым моделям (RU №2283720, В22С 1/16, заявл. 2005.03.25, опубл. 2006.09.20), которая для повышения прочности и термостойкости керамических форм, сформированных из суспензий на основе этилсиликата, содержит в качестве растворителя этилсиликата органический растворитель ацетон или этиловый спирт и технологические добавки из смесей материалов с низкой температурой плавления с добавкой тугоплавких соединений с высокой температурой плавления, которые при нагреве способствуют повышению прочности и термостойкости силикатной керамики при высоких температурах.
Недостатком известной суспензии является трудность подбора и регулирования состава технологических добавок из материалов с разной температурой плавления, что не обеспечивает надежного повышения прочности и термостойкости оболочек и улучшения качества получаемых в них отливок.
Известен способ изготовления форм по выплавляемым моделям (RU №2295419 В22С 9/04, завл. 2005.09.01, опубл. 2007.03.20), по которому при изготовлении форм используют суспензию (RU №2295418, В22С 1/18, заявл. 2005.03.01, опубл. 2007.03.20), в которой для улучшения качества оболочек применяют поверхностно-активное вещество (ПАВ) в виде лигносульфоната, а в качестве технологической добавки - магнийсиликатный порошок.
Недостаток известного способа и суспензии состоит в том, что применяемое в суспензии ПАВ в виде лигносульфоната имеет высокую газотворность и приводит к повышению газовых раковин в отливках.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является суспензия для изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям, в которой с целью увеличения прочности оболочек, повышения термостойкости и трещиностойкости керамики при прокалке и заливке оболочек в ее состав вводится хлористый алюминий (RU №2146983, В22С 1/16, завл. 1999.01.18, опубл. 2000.03.27).
Согласно прототипу суспензия для изготовления оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям включает этилсиликат, растворитель и разбавитель - воду, поверхностно активное вещество - сульфонол, катализатор гидролиза - соляную кислоту, упрочнитель алюмометилсиликонат натрия, упрочнитель - дисперсный кремнезем - пыль от эктрофильтров ферросплавных печей, технологическую добавку в виде хлористого алюминия и пылевидный огнеупорный наполнитель при следующих соотношениях ингредиентов, мас.%:
Этилсиликат
4,0-11,7
Вода
18,0-22,7
Поверхностно-активное вещество
0,1-1,5
Катализатор - соляная кислота
0,1-0,5
Алюмометилсиликонат натрия
0,1-1,5
Дисперсный кремнезем - ЭП
12,5-0,5
Хлористый алюминий
0,3-2,5
Пылевидный огнеупорный наполнитель
Остальное
Недостатками известной суспензии являются: применение компонентного состава суспензии, который обеспечивает проведение лишь, так называемого водного гидролиза этилсиликата; применение в качестве растворителя этилсиликата воды снижает прочность оболочковых форм на основе ГРЭТС; технологическая добавка в виде хлористого алюминия из-за несовместимости с алюмометилсиликонатом натрия разлагается в суспензии уже при ее приготовлении, в результате чего ухудшаются свойства суспензии. Образующийся при этом оксид алюминия уменьшает прокаливаемость керамики, так как снижает ее теплопроводность. Применяемый в составе суспензии алюмометилисликонат натрия при разложении оставляет в керамической оболочке значительное количество органических остатков, которые увеличивают газотворность керамики и также ухудшают прокаливаемость оболочек.
Задачей изобретения является создание такой суспензии, которая обеспечивала бы повышение прочности, термостойкости и газопроницаемости керамических оболочковых форм, уменьшение газотворности керамики и брака отливок по газовым раковинам.
Задача решается тем, что суспензия для изготовления керамических оболочковых форм в литье по выплавляемым моделям, включающая этилсиликат, растворитель, разбавитель - воду, соляную кислоту, поверхностно-активное вещество, дисперсный кремнезем, технологическую добавку, пылевидный огнеупорный наполнитель, согласно изобретению дополнительно содержит ортофосфорную кислоту, в качестве растворителя этилсиликата - органические растворители в виде ацетона или этилового спирта, в качестве поверхностно активного вещества - глицерин, в качестве технологической добавки - азотнокислую соль при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Этилсиликат
10,0-15,0
Ацетон или спирт
13,0-18,0
Вода
2,0-8,0
Соляная кислота
0,25-0,8
Глицерин
0,015-0,18
Дисперсный кремнезем
0,5-18,0
Ортофосфорная кислота
0,2-1,5
Азотнокислая соль
0,15-7,5
Огнеупорный наполнитель
Остальное
3
3
2
Разновидностью суспензии является то, что в качестве технологической добавки она содержит азотнокислую соль с трехвалентным катионом в виде нитрата алюминия девятиводного Al(NO)9НO.
3
3
Разновидностью суспензии является то, что в качестве технологической добавки она содержит азотнокислую соль с одновалентным катионом в виде нитрата натрия NaNO или в виде нитрата калия KNO.
3
2
3
2
3
2
Разновидностью суспензии является то, что в качестве технологической добавки она содержит азотнокислую соль с двухвалентным катионом в виде нитрата магния Mg(NO) или нитрата кальция Са(NO), или нитрата бария Ва(NO).
Сущность изобретения состоит в нижеследующем.
Основным отличием предлагаемой суспензии является использования в ее составе в качестве технологической добавки азотнокислой соли совместно с поверхностно-активным веществом в виде глицерина, совместно с дисперсным кремнеземом и ортофосфорной кислотой. При этом в качестве растворителя - разбавителя - суспензия содержит совместно с водой органические растворители ацетон или этиловый спирт.
Дополнительное введение в состав суспензии ортофосфорной кислоты обеспечивает нейтрализацию щелочных компонентов (кальция, натрия, калия) и оксида железа в дисперсном кремнеземе - пыли от электрофильтров ферросплавных печей.
Использование в составе суспензии в качестве поверхностно-активного вещества - глицерина - обеспечивает важное свойство для качества суспензии блокирование частиц технологических добавок - азотнокислых солей - от взаимодействия с жидкими растворителями этилсиликата.
Глицерин обладает не только свойством увеличения смачиваемости твердых частиц жидкостями, но и предотвращает проникновения их к поверхности твердых частиц, т.е. способствует блокированию частиц технологических добавок, в частности частиц азотнокислых солей, от взаимодействия с жидкими растворами.
Применение в суспензиях азотнокислых солей в смеси с поверхностно-активным веществом в виде глицерина достигается устойчивое их сохранение без разложения за счет блокирования их от воздействия с жидким связующим - гидролизованным раствором этилсиликата. Поэтому свойства суспензии мало меняются с течением времени хранения и использования для формирования оболочек.
Вместе с тем, при нагреве керамики в процессе прокаливания оболочек глицерин выгорает и открывает поверхность частиц азотнокислых солей к разложению. При этом, азотнокислые соли выделяют кислород, который улучшает прокаливаемость керамики, т.е. способствует выгоранию остатков органических веществ и тем самым снижает газотворность керамики за счет интенсивного окисления от выделяющегося из азотнокислых солей кислорода остатков модельного состава и остатков недогидролизованных этоксильных органических соединений этилсиликата.
Выгорание остатков органических веществ из керамики при нагреве способствует образованию мелкопористой структуры керамики и тем самым увеличению ее газопроницаемости и, следовательно, возрастанию общей газопроницаемости керамических оболочек. Повышение газопроницаемости оболочек уменьшает опасность образования газовых раковин в отливках.
Поэтому после прокаливания оболочек, сформированных из суспензий с добавками азотнокислых солей, керамика имеет высокую прочность и газопроницаемость и низкую газотворность, что обеспечивает получение отливок без газовых раковин.
Увеличение прокаливаемости керамики позволяет также увеличить производительность прокалочных печей за счет сокращения продолжительности прокаливания керамических оболочковых форм, что обеспечивает уменьшение энергозатрат на нагрев при прокаливании оболочек.
Примеры реализации изобретения.
Испытания предлагаемой суспензии проводили в условиях литейного цеха Нижне-Тагильского предприятия ФГУП «Уралвагонзавод».
Суспензии готовили в стандартных гидролизерах объемом в 30 литров на один технологически стандартный замес.
В таких же условиях готовили суспензию с наилучшими по прототипу свойствами (№1 таблицы 1 и 2).
Как опытные суспензии, так и суспензию по прототипу использовали для изготовления отливок одинаковой номенклатуры: колесо, болт, шайба и др.
При изготовлении керамических оболочек и отливок параллельно готовили образцы для определения физико-механических свойств суспензий, керамических образцов и проводили оценку качества отливок по газовым раковинам.
3
3
2
3
3
2
Для приготовления суспензий использовали огнеупорный наполнитель - пылевидный кварц марки КП-1 (ГОСТ 907-92), связующее - этилсиликат марки ЭТС-40, соляную кислоту плотностью 1180-1200 кг/м3, дисперсный кремнезем в виде пыли ферросплавных печей, ортофосфорную кислоту, глицерин и азотнокислые соли в виде представителей: с трехвалентным катионом - нитрат алюминия девятиводный Al(NO)9НО; с одновалентный катионом - нитрат натрия NaNO; с двухвалентным катионом - нитрат кальция Са(NO).
Гидролиз этилсиликата проводили совмещенным способом. Вязкость суспензии по вискозиметру ВЗ-4 для первого слоя составляла 35-40 с, для последующих слоев 55-60 с. Сушку слоев оболочек и образцов проводили в камерах сушки в течение 2-х часов при температуре 26-27°С и относительной влажности 55%. Выплавку моделей проводили горячим воздухом, прокалку оболочек и образцов проводили в газовых печах при температуре 880-900°С.
Контролировали свойства: прочность образцов после сушки, прочность после выплавки моделей, термостойкость по «горячей прочности» при нагреве до 900°С, газотворность образцов при нагреве до 900°С, газопроницаемость образцов при 20°С после предварительной прокалки при 900°С в течение 30 минут и последующего охлаждения.
Прочность образцов после сушки и выплавки моделей определяли на стандартных приборах.
Термостойкость оболочек определяли по «Горячей прочности» при изгибе после нагрева образцов до заданной температуры.
Газотворность определяли при нагреве на приборе с печью «Марса» и системой определения количества выделяющегося газа.
Газопроницаемость образцов определяли на стандартном приборе для определения газопроницаемости плоских образцов диаметром 50 мм с повышенным давлением просасывания через образец воздуха, 1,5 атм.
Качество отливок по газовым раковинам определяли на темплетах-шлифах, вырезанных из разных мест, как минимум из трех одинаковых по номенклатуре отливок, а также после механической обработки литья из расчета на 100 шт. отливок одинаковой номенклатуры.
Результаты испытания представлены в таблице 1 и 2.
Результаты испытания, приведенные в таблице 2, показали, что предлагаемая суспензия в сравнении с суспензией по прототипу обеспечивает лучшие параметры по качеству оболочек в пределах изменений количества азотнокислых солей.
В таблице 2 также видно, что при использовании заявленных видов азотнокислых солей, в частности с одновалентными, двухвалентными и трехвалентным катионами, обеспечивается снижение брака отливок по газовым раковинам в сравнении с отливками, полученными с использованием суспензии по прототипу.
В таблице 2 видно, что даже при содержании в составе суспензии азотнокислой соли на минимальном уровне 0,15 мас.% количество бракованных отливок по газовым раковинам уменьшается. Поэтому за нижний предел содержания азотнокислых солей в составе суспензий принято 0,15 мас.%, т.к. это минимальное количество добавки снижает опасность получения бракованных отливок. При увеличении содержания в суспензиях азотнокислых солей вероятность получения бракованных отливок по газовым раковинам гарантированно уменьшается (до «0» по опытам №5, 8, 11, 12 таблице 2). Однако из экономических соображений максимальное содержание добавок азотнокислых солей ограничено величиной 7,5 мас.%.
Использование в составах суспензий ортофосфорной кислоты и дисперсного кремнезема в виде пыли ферросплавных печей во всех случаях обеспечивает повышение физико-механических свойств оболочек. Однако из экономических соображений верхние пределы содержаний указанных материалов ограничены: для ортофосфорной кислоты 1,5 мас.%, а для дисперсного кремнезема 18 мас.%.
Добавка в суспензии глицерина от 0,015 до 0,18 мас.% обеспечивает необходимые свойства оболочек. Поэтому увеличение его содержания более 0,18 мас.% экономически нецелесообразно.
Приведенные в таблице 1 и 2 данные показывают высокую эффективность повышения качества отливок по газовым раковинам от применения азотнокислых солей в составах суспензий при указанных соотношениях ингредиентов.
Промышленная применимость изобретения. Суспензия может быть применена в технологиях литья по выплавляемым моделям с использованием связующих материалов на основе гидролизованных растворов этилсиликатов в производстве литых изделий из чугуна, стали и цветных металлов.
В настоящее время в цехе точного литья ФГУП «Уралвагонзавод» указанные составы суспензий успешно прошли испытания и приняты к внедрению в производство отливок широкой номенклатуры по массе и габаритам.
Таблица 1
Составы испытанных суспензий
Наименование ингредиентов
Содержание ингредиентов по примерам, мас.%
1 изв.
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
ЭТС
11,7
9,0
10,0
11,7
13,5
15,0
14,2
12,8
13,2
11,5
14,6
12,8
Ацетон
-АМСР = 1,5
12,2
14,2
17,5
15,8
18,0
16,5
13,5
13,8
15,4
13,7
18,0
Вода
16,6
2,0
3,2
4,6
5,5
2,2
2,0
8,0
6,5
4,3
63
2,8
Соляная к-та
0,5
0,25
0,32
0,28
0,55
0,64
0,82
0,67
0,58
0,64
0,65
0,46
ПАВ - глицерин
-Сульфонол = 0,12
0,012
0,015
0,02
0,12
0,14
0,12
0,17
0,18
0,22
0,16
0,18
Дисперсный кремнезем
-ЭП = 0,5
0,45
0,5
1,25
4,6
8,8
10,2
12,8
18,5
9,6
10,5
15,5
Ортофос. к-та
-AlCl<sub>3 </sub>= 0,5
0,2
0,25
0,45
0,65
0,8
1,2
1,5
1,8
1,2
0,8
1,4
Al(NO<sub>3</sub>)<sub>3</sub>·9H<sub>2</sub>O
-
0,1
0,15
6,5
7,5
NaNO<sub>3</sub>/KNO<sub>3</sub>
-
0,12
0,25
7,0
Mg(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>/Ca(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>/Ba(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
-
0,12
4,5
7,5
9,0
Огн. наполнит.
Остальное
Таблица 2
Физико-механические свойства
Наименование свойств
Результаты испытаний по составам
1 - аналог
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Прочность после вытопки, МПа
5,5
8,8
9,2
7,2
6,8
9,3
8,3
7,6
6,4
8,9
10,2
7,9
Горячая прочностьпри 900°С, МПа
5,5
7,2
6,7
5,8
6,5
8,8
7,6
6,9
7,3
7,4
8,5
7,6
Прочность после 3 циклов теплосмен, МПа
0,53
0,88
0,76
058
0,93
0,75
0,75
0,88
0,70
0,89
0,76
0,87
Газопрониц., ед.
8,0
11,0
8,4
14,3
12,6
15,5
14,8
12,6
14,6
13,5
12,5
11,5
Газотворность, см<sup>3</sup>/г
12,0
10,8
9,8
10,2
7,3
5,5
3,5
6,7
4,8
3,8
5,4
6,4
Количество отл. из 100 с газовыми раковинами, шт.
21
12
4
2
0
5
3
0
4
2
0
0