СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ (ВАРИАНТЫ)
MANUFACTURING METHOD OF MULTILAYER SHELL MOULDS FOR INVESTMENT CASTING (VERSIONS)

Изобретение относится к литейному производству, в частности к способам изготовления керамических оболочковых форм в точном литье по выплавляемым моделям (ЛВМ).
Широко известны способы изготовления комбинированных оболочковых форм, по которым на модельном блоке формируют лицевые один-два слоя из суспензий на основе гидролизованных растворов этилсиликата, а затем формируют так называемые опорные слои из суспензий на основе растворов жидкого стекла. (Литье по выплавляемым моделям / В.Н.Иванов и др. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - С.228).
В известных способах преимущественно используют в качестве огнеупорного наполнителя диоксид кремния в виде пылевидного кварца и зернистого обсыпочного материала в виде кварцевого песка, которые не обеспечивают получение качественных отливок из-за высоких значений коэффициента термического расширения кварца, приводящего к деформациям и растрескиванию оболочек при прокалке и заливке их металлом.
Для уменьшения термического расширения кварцосодержащих 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 керамических оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, по которому для повышения термостойкости и прочности оболочковых форм и устойчивости их к взаимодействию с заливаемым сплавом в качестве огнеупорного наполнителя и зернового обсыпочного материала используют пылевидный и зерновой диоксид кремния в фазе тридимита (RU №2302311, В22С 9/04, Заявл. 2006.04.10; опубл. 2007.07.10).
Недостатками данного способа являются сложность получения огнеупорных материалов в фазе тридимита, связанного с длительностью процесса высокотемпературного обжига кварцевых материалов для формирования структуры тридимита, а также высокая трудоемкость и экологическая вредность подготовки пылевидных и зерновых обсыпочных материалов из марочных динасовых огнеупорных изделий или отходов силикатных футеровочных материалов.
Известен способ изготовления оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, включающий послойное нанесение на выплавляемую модель суспензии на основе огнеупорного наполнительного материала с этилсиликатным связующим и последующую обсыпку каждого слоя кварцевым песком с добавлением электрокорунда в количестве до 30% от веса кварцевого песка. (RU №2297302, В22С 9/04, заявл. 2004.11.18, опубл. 2006.05.10).
Недостатком этого способа является то, что добавка в обсыпочный материал малоактивного к связующим суспензий - этилсиликату и жидкому стеклу - электрокорунда уменьшает термические расширения лишь в поверхностной части слоев оболочки, сформированной обсыпочным материалом с добавкой электрокорунда. Однако остальной объем слоя оболочки, сформированный из суспензии на основе пылевидного кварца в качестве огнеупорного наполнителя и не охваченный добавочной частью электрокорунда в обсыпке, сохраняет опасность протекания термического расширения в нем при нагреве оболочек в процессе прокалки и заливке форм металлом. Поэтому добавка в обсыпочный материал на кварцевом песке до 30% электрокорунда не гарантирует полного исключения термических деформаций слоев оболочек и не устраняет опасность растрескивания и разрушения оболочек при прокалке и заливке их металлом.
Кроме этого, добавка в кварцевый обсыпочный материал электрокорунда, состоящего из плохо растворимого в щелочах оксида алюминия, ухудшает процесс выщелачивания остатков керамики при проведении технологической операции «выщелачивания» отливок в растворах щелочей.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ изготовления многослойной оболочковой формы по выплавляемым моделям, включающий последовательное нанесение на блок выплавляемых моделей слоев суспензии на этилсиликатном связующем и слоев, полученных на жидкостекольном связующем, обсыпку огнеупорным материалом каждого слоя, сушку слоев, в котором для повышения прочности форм в качестве обсыпочного материала используют гранулированный шлак от производства ферросплавов с содержанием в нем окиси магния 35-49 мас.% с форстеритошпинельной минеральной структурой и заданной зернистостью (RU №1136883, заявл. 1982.07.20, опубл. 1985.01.30).
Недостаток известного способа состоит в том, что обсыпочный материал, содержащий в большом количестве соединения с оксидом магния, которые характеризуются высокой активностью к кислотным и щелочным связующим материалам. Поэтому при нанесении указанного обсыпочного материала на слои суспензий как на основе этилсиликата, так и на основе жидкого стекла вызывает быстрое коагулирование связующих в суспензиях с образованием на контактной поверхности слоев плотных коагуляционных пленок, которые замедляют удаление влаги при сушке суспензий на формоблоках. При этом создаются условия расслоения суспензий по толщине слоев и тем самым приводят к опасности образования микротрещин в керамических слоях и снижению прочности оболочек.
Задачей изобретения является разработка такого способа, который обеспечивал бы ускорение сушки оболочек, повышение прочности после сушки и при выплавке моделей, увеличение термостойкости и прочности оболочек при прокалке и заливке металлом и улучшение процесса выщелачивания отливок.
3
3
9
Задача решается тем, что в способе изготовления многослойных оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям, включающем последовательное нанесение на блок выплавляемых моделей слоев суспензии на этилсиликатном связующем и слоев, полученных на жидкостекольном связующем, обсыпку зерновым огнеупорным материалом каждого слоя, сушку слоев, согласно изобретению в качестве обсыпочного огнеупорного материала используют кварцевый песок с добавлением в него зернового волластонита или гранулированного шлака доменного или конвертерного производства, содержащих преимущественно соединения оксидов кальция и кремния в виде Ca[SiO] в количестве от 2,5 до 97,5 масс.%.
3
3
9
Другой вариант способа изготовления многослойных оболочковых форм для литья по выплавляемым моделям включает последовательное нанесение на блок выплавляемых моделей слоев суспензии на этилсиликатном связующем и слоев, полученных на жидкостекольном связующем, обсыпку зерновым огнеупорным материалом каждого слоя, сушку слоев, а согласно изобретению в качестве обсыпочного огнеупорного материала используют зерновой волластонит или гранулированный шлак доменного или конвертерного производства, содержащие преимущественно соединения оксидов кальция и кремния в виде Ca[SiO].
Особенность способов состоит в том, что согласно изобретению используют природный волластонит.
Другая особенность способов состоит в том, что согласно изобретению используют синтетический волластонит, получаемый путем высокотемпературного сплавления исходных минеральных компонентов, преимущественно оксидов кальция и кремния, и последующего их гранулирования.
Особенность способов состоит также в том, что согласно изобретению в качестве зернового обсыпочного огнеупорного материала используют гранулированные шлаки доменного или конвертерного производства с химическим составом, аналогичным химическому составу природного или синтетического волластонита.
Обсыпочные материалы с химическим составом и минеральной структурой волластонита в отличие от корунда или материалов с соединениями на основе оксидов магния по активности к кислотным и щелочным связующим суспензий занимают промежуточное положение, т.е. характеризуются умеренной и регулируемой активностью. Заявителем установлено, что при нанесении на слои суспензий обсыпочных материалов с добавкой волластонита обеспечивается протекание в слоях суспензий диффузионных процессов и химических реакций по всему объему нанесенного слоя с усреднением в нем химического состава образующихся соединений.
Протекание указанных процессов исключают опасность расслоения суспензий в слоях, нанесенных на модельные блоки, и образование микротрещин в оболочках как при сушке, так и при проведении последующих технологических операций. При этом добавка в обсыпку материала со структурой волластонита вносит в состав керамики химические элементы, способствующие повышению термостойкости и трещиноустойчивости оболочек в процессе прокалки и заливки форм металлом. При этом в отличие от электрокорунда обсыпочный материал со структурой волластонита обеспечивает улучшение процесса выщелачивания керамики из отливок.
3
3
9
3
Природный материал с химической формулой и минеральной структурой волластонита содержит преимущественно соединения оксидов кальция и кремния в виде Ca[SiO] - типичные моносиликаты кальция с твердостью 5-5,5 ед. и плотностью 2,9-3 г/см (Советский энциклопедический словарь. М., Советская энциклопедия. 1980, с.243).
2
3
3
9
В литературе применяют другие варианты написания химического состава волластонита, например у строителей: 3CaO·3SiO или у химиков: CaSiO.
При исследовании установлено, что моносиликаты кальция с химической и минеральной структурой волластонита являются слаборастворимыми веществами и реагируют с регулируемым временем как с кислотными, так и с щелочными растворами, которыми обычно характеризуются связующие материалы, применяемые в литье по выплавляемым моделям. В этом состоит особенность обсыпочных материалов с химической и минеральной структурой волластонита, так как они по химической активности занимают промежуточное положение между малоактивным корундом как в аналоге, так и высокоактивной форстерито-шпинельной структурой на основе оксида магния, как в предлагаемом материале прототипа.
Учитывая, что применяемые для суспензий в литье по выплавляемым моделям связующие материалы имеют либо кислотную либо щелочную среду, определили взаимодействие гидролизованного этилсиликата, имеющего кислую среду, и жидкого стекла, имеющего щелочную среду, с природным зерновым волластонитом с зерновой фракцией 0,3 мм, что соответствует зерновой фракции обсыпочного кварцевого песка.
Установлено, что материалы с химическим составом волластонита вступают в химическое взаимодействие с гидролизованными растворами этилсиликата, имеющего кислотную среду от содержания соляной кислоты с образованием упрочняющего гидратированного коллоидного кремнезема и хлорида кальция. Образующиеся компоненты способны к диффузии во всем объеме нанесенного на модель слоя суспензии. При взаимодействии гидролизованного этисиликата с обсыпкой из волластонита происходит упрочнение этилсиликатной суспензии во всем объеме слоя, нанесенного на модель, за счет выделения из обсыпочного материала гидратированного коллоидного кремнезема и хлорида кальция.
При этом влага из гидратированного кремнезема легко удаляется в атмосферу, что обеспечивает ускорение сушки слоев суспензии на модельных блоках.
2
При обсыпке слоев из суспензий на жидком стекле, имеющих щелочную среду от содержания в них щелочи в виде NaOH, обсыпочные материалы с химической и минеральной структурой волластонита вступают в химическое взаимодействие с щелочью с образованием также гидратированного кремнезема и гидроксида кальция, которые также за счет диффузионных процессов способствуют распределению продуктов реакции по всему объему слоев суспензии и их упрочнению во всем объеме слоя. При этом образующийся гидроксид кальция Ca(OH), являясь отвердителем для жидкого стекла, обеспечивает также дополнительное ускорение упрочнения и сушки слоев из жидкостекольной суспензии. Это позволяет сократить время сушки и гарантированное снижение остаточной влажности в керамических оболочках, что позволяет снизить брак оболочек на операциях сушки и выплавки моделей.
При прокалке оболочек соединения кальция в обсыпочных материалах с химической и минеральной структурой волластонита способствуют спеканию керамики, особенно на этилсиликатном связующем, и упрочнению оболочек при прокаливании. Это обеспечивает повышение термостойкости этилсиликатной керамики и тем самым уменьшение брака оболочек при прокалке и заливке их металлом.
Промышленная применимость
Природный волластонит большими массивами залегает в Ленинградской области. Добывается открытым способом. Зерна волластонита имеют плотную блестящую поверхность. Материал хорошо фракционируется при рассеве через соответствующие сита. Может применяться в качестве обсыпочного материала без какой-либо предварительной подготовки.
Синтетический волластонит готовится путем высокотемпературной обработки смесей из исходных материалов на основе оксидов кальция и кремния. В процессе тепловой обработки смесь из исходных компонентов сплавляется с образованием моносиликатов кальция и гранулируется до необходимых размеров частиц. Получаемый зерновой гранулированный материал содержит минеральную структуру волластонита, по химическому составу близкому к составу природного волластонита.
Проведены испытания способов при использовании в качестве добавки гранулированного шлака доменного производства с химическим составом и минеральной структурой волластонита с одинаковой зерновой структурой обсыпочного материала.
Испытания предлагаемых способов и способа по прототипу проводили при равных условиях при изготовлении стальных отливок разнообразной номенклатуры массой от 0,5 до 5 кг. При этом во всех случаях для формирования лицевых слоев оболочек использовали суспензию на основе пылевидного кварца и гидролизованного этилсиликата марки «орг-1» (см. Литье по выплавляемым моделям / В.Н.Иванов и другие. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - С.208-211). Для формирования последующих опорных слоев использовали жидкостекольную суспензию на основе пылевидного кварца и водного раствора жидкого стекла с модулем 3,0 ед. (см. Литье по выплавляемым моделям / В.Н.Иванов и другие. - 3-изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1984. - С.194-228).
При испытании способа использовали стандартные методы контроля параметров на образцах. Эффективность сушки оболочек в камерах сушки контролировали по изменению остаточной влажности в образцах-свидетелях, скрепленных с промышленными формоблоками, при продолжительности сушки в течение 2 ч.
Прочность (σ) после сушки и при выплавке моделей определяли при изгибе на стандартных промышленных приборах, применяемых для этих целей.
Термостойкость керамики оболочек определяли на стандартных образцах по «горячей прочности» (σ, г) при температуре 800°С, нагретых при этой температуре в течение 30 мин.
Ускорение процесса «выщелачивания» керамики определяли по количеству (в % по массе) остатков керамики на единицу поверхности отливок, прошедших обработку в щелочных растворах при прочих равных условиях.
Результаты испытаний представлены в таблице 1, 2, 3.
Таблица 1
Контролируемый параметр
Количество добавки природного волластонита, мас.%
Прототип
0,5
2,5
5
10
30
50
70
100
Остат. влажность, %
2,81
2,11
1,73
1,41
1,22
1,08
0,88
0,64
0,42
σ после сушки, МПа
2,12
2,14
2,19
2,31
2,55
3,55
4,74
4,78
4,94
σ при выплавке, МПа
2,26
2,28
2,32
2,43
2,84
3,76
4,76
4,92
5,42
σ, г при 800°С, МПа
1,08
1,52
1,76
1,88
2,45
3,67
4,83
5,55
8,82
Остаток керамики, %
27,6
4,4
4,6
4,8
4,2
3,8
3,4
3,6
2,7
Таблица 2
Контролируемый параметр
Количество добавки синтетического волластонита, мас.%
Прототип
0,5
2,5
5
10
30
50
70
100
Остат. влажность, %
2,22
1,61
1,52
1,31
1,04
1,03
0,67
0,52
0,32
σ после сушки, МПа
2,22
2,76
3,21
3,22
3,45
3,76
4,96
5,23
6,45
σ при выплавке, МПа
2,14
2,58
3,46
3,87
3,55
3,82
5,35
5,54
6,82
σ, г при 800°С, МПа
1,08
1,74
2,31
2,56
2,87
3,23
3,67
4,98
7,22
Остаток керамики, %
32,5
2,6
2,5
3,2
3,2
2,6
2,8
2,7
3,8
Таблица 3
Контролируемый параметр
Количество добавки доменного граншлака, мас.%
Прототип
0,5
2,5
5
10
30
50
70
100
Остат. влажность, %
1,88
1,76
1,63
1,54
1,32
1,07
0,67
0,58
0,52
σ после сушки, МПа
1,32
2,32
2,44
3,02
3,23
3,12
4,12
4,12
4,56
σ при выплавке, МПа
1,58
2,43
2,44
2,88
3,12
2,66
4,22
3,88
4,22
σ, г при 800°С, МПа
1,22
2,12
2,12
2,05
2,34
1,56
2.76
2,13
3,12
Остаток керамики, %
22,5
3.5
3,4
4,2
3,2
4,2
4,2
3,4
3,9
Анализ результатов испытания показал следующее. Все испытанные материалы со структурой волластонита оказывают положительное влияние на свойства оболочек. Сравнительно лучшие результаты показала добавка из синтетического волластонита, что свидетельствует о том, что синтетический материал со структурой волластонита более равномерен по химическому составу и структуре в зернах обсыпки.
Что касается промышленных отходов в виде доменного или конвертерного шлаков, содержащих минеральную составляющую в фазе волластонита, то их химический состав изменяется от плавки к плавке. Однако общее содержание минеральной составляющей в виде волластонита обычно стабильно по количественному содержанию.
2
2
3
x
y
Анализ доменного (содержание волластонита до 86%) и конвертерного (содержание волластонита до 65%) шлаков Челябинского металлургического завода (ОАО МЕЧЕЛ) показал следующие результаты по оксидным соединениям: SiO=44/22; CaO=42/43; AlO=10/4; MgO=3/3; FeO=0,7/14; MnO=0,1/5; другие соединения в малых количествах (в числителе данные для доменного шлака / в знаменателе для конвертерного шлака).
Положительное влияние на свойства оболочек начинает заметно проявляться при содержаниях в обсыпочном материале добавок от 2,5 мас.%. По мере увеличения содержания добавок в обсыпочном материале свойства оболочек во всех случаях улучшаются вплоть до полной замены в обсыпочном материале кварцевого песка зерновым материалом с минеральной структурой волластонита.
Зерновые добавки с минеральной структурой волластонита могут быть использованы в обсыпочных материалах с любой технологией формообразования и для любых составов суспензий на основе гидролизованных растворов этилсиликатов и растворов жидкого стекла.
В связи с повышением термостойкости оболочек при использовании обсыпочных материалов с минеральной структурой волластонита можно значительно расширить номенклатуру отливок по массе и габаритным размерам, получаемых точным литьем по выплавляемым моделям.