СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF MOULD MAKING BY INVESTMENT PATTERNS (VERSIONS)

Изобретение относится к области литейного производства и может быть использовано для изготовления оболочковых керамических форм на связующем - алюмоборфосфатном концентрате (АБФК) в литье по выплавляемым моделям, в особенности для сложнопрофильных тонкорельефных отливок из цветных и черных сплавов.
В настоящее время в литье по выплавляемым моделям широко используются способы изготовления керамических форм на этилсиликатном связующем (ЭТС). Они, в целом, характеризуются вредными условиями производства, многооперационностью, длительностью формообразования. Кроме того, ЭТС является одним из самых дорогостоящих связующих материалов, но при этом обеспечивающих требуемые физико-механические свойства керамических форм (Литье по выплавляемым моделям: монография / Под ред. Я.И.Шкленника. - М.: Машиностроение, 1984. - 408 с.).
Известна аммиачная сушка, которая 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.
Известен способ изготовления форм по выплавляемым моделям (Патент RU №2043825. Способ изготовления форм по выплавляемым моделям. МПК В22С 9/04, опубл. 20.09.1995 г.), включающий нанесение на модель лицевого слоя, его подсушку, нанесение последующих внутренних слоев из суспензии с этилсиликатным связующим, их обсыпку и сушку, лицевой слой наносят из суспензии с подкисленным водным растворителем состава, мас.%: вода 15,0…30,0, неорганическая кислота 1,0…3,0, поверхностно-активное вещество анионактивного или неионогенного класса 0,05…0,2, огнеупорный наполнитель - остальное, или из суспензии с подкисленным водно-органическим растворителем состава, мас.%: смесь воды и органического растворителя в соотношении 1:1, 3:1 15,0…30,0; неорганическая кислота 1,0…3,0; огнеупорный наполнитель - остальное, подсушку облицовочного слоя осуществляют по крайней мере 5 мин с последующим упрочнением его суспензией из огнеупорного наполнителя и этилсиликатного связующего.
К недостаткам известного способа относятся продолжительность изготовления форм, время для изготовления одного слоя от 1,5 до 2,5 часов, а для изготовления 4-5-слойных оболочковых форм соответственно около 6…12,5 часов, а также плохая выбиваемость литья, связанная с высокой остаточной прочностью, образующейся при обжиге керамики.
Известен способ получения керамических форм (Патент RU №2200643. Способ получения керамических форм при литье по выплавляемым моделям с использованием в качестве связующего жидкого стекла. МПК В22С 9/04, В22С 1/02, опубл. 03.20.2003 г.), включающий предварительное приготовление суспензии путем смешивания жидкого стекла с водным раствором хлористого аммония и пылевидным огнеупорным материалом, послойное нанесение суспензии на выплавляемые модели, обсыпку каждого слоя кварцевым песком, отверждение в растворе хлористого аммония, выплавление моделей в горячей воде, прокалку оболочек, при этом в суспензию для первого слоя дополнительно вводят 0,05…0,1 мас.% масла для гидромеханических и гидрообъемных передач.
Недостатками способа являются продолжительное время изготовления, а также более низкое качество поверхности литья, наличие пригара и связанная с ним плохая выбиваемость отливок из форм.
Широкие перспективы в этом отношении открывает применение в качестве связующего оболочковых керамических форм алюмоборфосфатного концентрата. Однако, известные до настоящего времени способы изготовления таких форм до сих пор не позволяют добиться технологических свойств, по которым они с успехом могут конкурировать с этилсиликатными.
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления форм по выплавляемым моделям, включающий нанесение на модель лицевого слоя суспензии, его подсушку, нанесение последующих внутренних слоев суспензии, их обсыпку и сушку (Патент RU №2295419. Способ изготовления форм по выплавляемым моделям. МПК В22С 9/04, С1, опубл. 20.03.2007 г.). Лицевой и последующие слои наносят из суспензии, имеющей следующий состав, мас.%: алюмоборфосфат 16,0…20,0; вода 16,0…20,0; лигносульфонат (ПАВ) не более 0,5; магнийсиликатный порошок 3,5…5,0; пылевидный огнеупорный наполнитель - остальное. Причем обсыпку лицевого слоя осуществляют шамотным песком зернистостью не более 0,2 мм, а обсыпку последующих слоев - шамотным песком зернистостью не более 0,4 мм. Каждый слой подсушивают в течение 30…40 мин, выплавляют модельный состав и подвергают форму высокотемпературной сушке при 300…350°С в течение 2…3 часов. В качестве огнеупорного наполнителя для лицевого слоя используют пылевидный шамот или пылевидный электрокорунд.
Известное техническое решение обеспечивает некоторое ускорение формообразования и повышение физико-механических свойств керамических форм (выбиваемость и др.). Вместе с тем прототип имеет следующие существенные недостатки:
- введение отвердителя в состав суспензии прототипа приводит к резкому снижению ее живучести (до 1…2 часов), что не позволяет использовать автоматические линии литья по выплавляемым моделям для серийного производства точных отливок;
- способ прототипа приводит к безвозвратным потерям суспензии в условиях крупносерийного производства отливок литьем по выплавляемым моделям;
- стремление к сохранению определенной живучести суспензии и вместе с тем сокращению цикла сушки не позволяют достичь потенциально возможного ускорения формообразования;
- неравномерность отверждения слоев суспензии вызывает формирование микротрещин в связующем материале, снижающих его адгезию, что приводит к падению прочности и трещиноустойчивости керамических форм;
- недостаточно высокие физико-механические свойства керамических форм вызывают снижение качества изготовления отливок литьем по выплавляемым моделям, особенно сложнопрофильных и тонкорельефных.
В основу изобретения положена техническая задача - обеспечение длительной живучести суспензии на АБФК при одновременном ускоренном формообразовании и повышенных прочностных свойствах керамических форм, позволяющих улучшить качество изготовления точных отливок, в особенности сложнопрофильных и тонкорельефных.
Указанная техническая задача решается таким образом, что в способе изготовления форм по выплавляемым моделям, включающем нанесение на модель лицевого и последующих внутренних слоев суспензии на алюмоборфосфатном концентрате, их обсыпку и сушку, согласно изобретению лицевой и последующие слои наносят из суспензии состава, мас.%:
алюмоборфосфатный концентрат
18…25
вода
15…20
поливиниловый спирт
1…3
пылевидный огнеупорный наполнитель
остальное
а обсыпку слоев суспензии осуществляют периклазом зернистостью 160…200 мкм для лицевого слоя и зернистостью 250…300 мкм для последующих слоев суспензии.
Другой вариант решения поставленной технической задачи заключается в том, что в способе изготовления форм по выплавляемым моделям, включающем нанесение на модель лицевого и последующих внутренних слоев суспензии на алюмоборфосфатном концентрате, их обсыпку и сушку, согласно изобретению лицевой и последующие слои наносят из суспензии состава, мас.%:
алюмоборфосфатный концентрат
18…25
вода
15…20
поливиниловый спирт
1…3
пылевидный огнеупорный наполнитель
остальное
при этом обсыпку лицевого слоя суспензии осуществляют периклазом зернистостью 160…200 мкм, а обсыпку каждого последующего слоя суспензии осуществляют смесью периклаза и керамзита зернистостью соответственно 250…300 мкм и 400…500 мкм, взятых в соотношении (2…4):1 по объему.
Кроме того, поставленная техническая задача также решается тем, что в способе изготовления форм по выплавляемым моделям, включающем нанесение на модель лицевого и последующих внутренних слоев суспензии на алюмоборфосфатном концентрате, их обсыпку и сушку, согласно изобретению по обоим вариантам, при обсыпке слоев суспензии на обсыпочный материал - периклаз или периклаз и его смесь с керамзитом - воздействуют электрическим полем напряженностью 1500…2000 В/м.
Введение в состав суспензии на АБФК поливинилового спирта (ПВС) обеспечивает наряду с улучшением смачиваемости повышение прочности керамических форм после вытопки модельной массы, а также увеличение газопроницаемости и выбиваемости, поскольку указанный ингредиент является связующим материалом и подвергается термодеструкции.
Обсыпка слоев суспензии на АБФК зернистым периклазом формирует каркасную структуру из центров отверждения и вызывает существенное сокращение цикла формообразования при длительной живучести суспензии.
Изготовление керамических форм с обсыпкой последующих слоев периклаза и керамзита создает условия для улучшения трещиноустойчивости форм и повышения их газопроницаемости, поскольку высокопористый материал (керамзит) является эффективным «блокиратором» возникновения и развития трещин керамики.
Воздействие на обсыпочный материал (периклаз или его смесь с керамзитом) электрическим полем напряженностью 1500…2000 В/м определяет его электрофизическую активацию и при дальнейшем внедрении обсыпки в слой суспензии вызывает ускоренное формообразование и повышение прочности керамических форм.
Учитывая высокие технологические свойства получаемых керамических форм на АБФК, предлагаемый способ их изготовления позволяет полностью отказаться от дорогостоящего ЭТС, существенно повысить качество форм и отливок по сравнению с комбинированными способами, использующими этилсиликат, жидкое стекло, алюмохромфосфатную связку. Таким образом, разработанный способ изготовления керамических форм на АБФК является выгодно конкурирующим по технологическим и экономическим критериям с получившими в настоящее время наибольшее распространение способами формообразования на гидролизованном растворе этилсиликата, жидком стекле и их комбинации.
Предлагаемый способ изготовления форм по выплавляемым моделям осуществляют следующим образом.
Готовят суспензию на АБФК с использование поливинилового спирта по следующей рецептуре, мас.%:
алюмоборфосфатный концентрат
18…25
вода
15…20
поливиниловый спирт
1…3
пылевидный огнеупорный наполнитель
остальное
Количество поливинилового спирта 1…3 мас.% диктуется необходимостью смачиваемости восковых выплавляемых моделей, а также повышением прочности керамических форм после вытопки моделей. При его количестве менее 1 мас.% влияние практически незначительно. При количестве более 3 мас.% в процессе термообработки форм поливиниловый спирт выгорает и наблюдается снижение «горячей» прочности керамических форм.
Суспензию послойно наносят на блок выплавляемых моделей, каждый слой обсыпают периклазом зернистостью 160…200 мкм для лицевого слоя и зернистостью 250…300 мкм для последующих слоев суспензии.
Зернистость периклаза в пределах 160…200 мкм для обсыпки первых (лицевых) слоев суспензии обеспечивает высокое качество отпечатка в форме, а, следовательно, минимальную шероховатость поверхности отливок. При зернистости периклаза менее 160 мкм также увеличивается скорость его взаимодействия со связующим (АБФК) и фиксируется чрезмерно быстрое отверждение огнеупорного слоя, что является нетехнологичным с позиции равномерного распределения обсыпочного материала на блоке моделей.
Обсыпка последующих (внутренних) слоев суспензии периклазом 250…300 мкм является оптимальной с позиций получения требуемой толщины покрытия и продолжительности формообразования.
Для особо сложных по конфигурации отливок при изготовлении оболочковых керамических форм обсыпку последующих слоев (кроме лицевого) осуществляют смесью периклаза и керамзита зернистостью соответственно 250…300 мкм и 400…500 мкм, взятых в соотношении (2…4):1 по объему.
Применение для обсыпки последующих (внутренних) слоев смеси периклаза и керамзита в соотношении (2…4):1 по объему диктуется стремлением получить, с одной стороны, требуемые газопроницаемость и минимальную склонность к образованию трещин в керамической форме, с другой - обеспечить необходимую продолжительность отверждения слоев огнеупорной суспензии на блоке выплавляемых моделей. Зернистость керамзита в пределах 400…500 мкм определяет возможность получения оптимальной толщины огнеупорного покрытия.
Для повышения трещиноустойчивости керамических форм при производстве тонкорельефных сложнопрофильных отливок на обсыпочный материал (периклаз или его смесь с керамзитом) воздействуют электрическим полем напряженностью 1500…2000 В/м.
Указанная обработка обсыпочного материала создает условия для электрофизической активации его взаимодействия со слоем огнеупорной суспензии, в результате чего достигаются ускорение формообразования, повышение прочности и трещиноустойчивости керамических форм. При напряженности электрического поля менее 1500 В/м эти эффекты выражены незначительно. Дальнейшее увеличение напряженности электрического поля более 2000 В/м нецелесообразно по причине существенного возрастания энергетических затрат.
Предлагаемый способ изготовления керамических форм по выплавляемым моделям иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. В водный раствор АБФК (ТУ 113-08-606-87) вводили поливиниловый спирт (ГОСТ 10779-78), варьируя его количество из расчета получения в суспензии ПВС 1, 2, 3 мас.%. Затем готовили суспензию из растворов АБФК и ПВС, а также пылевидного кварца марки ПКЗ (ГОСТ 9077-82). Полученную суспензию наносили на блок выплавляемых моделей из состава МВС15 (ТУ 101516-76). Количество слоев - 4. Вязкость 1 слоя суспензии по вискозиметру ВЗ-4 составляла 75…80 с, а последующих - 60…70 с. Каждый слой обсыпали периклазом (ТУ 2149-215-10964029-2004). Средний размер зерен периклаза для обсыпки 1 слоя составлял 180 мкм, для последующих - 280 мкм. Параметры по удалению моделей, термообработки керамических форм и заливки расплава поддерживались аналогичными прототипу. Полученные керамические оболочковые формы на АБФК использовались для изготовления отливок из стали 35Л (ГОСТ 977-88). Сравнительные данные способов приведены в табл.1.
Таблица 1
Сравнительные данные способов изготовления керамических форм
Наименование показателей
Прототип
Количество ПВС в суспензии на АБФК, мас.%
1
2
3
1. Живучесть суспензии, ч
4…6
Не менее 20 суток
2. Продолжительность отверждения слоя суспензии, мин
30…40
15
18
20
3. Прочность керамических образцов, МПа:
- после вытопки моделей;
3,8…4,1
5,2
6,8
7,4
- после термообработки;
4,2…4,8
6,4
7,5
7,9
- остаточная (выбиваемость)
3,2…3,5
1,8
1,5
1,2
4. Газопроницаемость, ед.
1…2
3
4
6
5. Склонность к образованию трещин, м/м<sup>2</sup>
26…40
10…16
6. Шероховатость поверхности отливок, Rz
60…80
40
40
40
Пример 2. Изготовление оболочковых керамических форм на АБФК осуществляли из суспензии состава аналогично примеру 1, но варьируя при этом зернистость периклаза для обсыпки первого (лицевого) слоя в пределах 160…200 мкм. Средний размер частиц периклаза для обсыпки последующих слоев составлял 280 мкм. Влияние зернистости периклаза обсыпки первого слоя на свойства оболочковых форм представлено в табл.2.
Таблица 2
Влияние зернистости периклаза обсыпки первого слоя на свойства оболочковых форм
Наименование показателей
Зернистость периклаза для первого слоя, мкм
160
180
200
1. Прочность керамических образцов, МПа:
- после вытопки моделей;
7,6
6,8
6,6
- после термообработки;
8,0
7,5
7,2
- остаточная (выбиваемость)
1,8
1,5
1,1
2. Газопроницаемость, ед.
3
4
5
3. Склонность к образованию трещин, м/м<sup>2</sup>
13
12
11
Пример 3. Варьировали зернистость периклаза для обсыпки последующих слоев суспензии на АБФК связующем в пределах 250…300 мкм. Средний размер частиц периклаза для обсыпки первого слоя составлял 180 мкм. Состав суспензии и параметры по изготовлению оболочковых керамических форм соответствовали представленным в примере 2. Влияние зернистости периклаза для обсыпки последующих слоев суспензии на АБФК связующем и свойства оболочковых керамических форм приведено в табл.3.
Таблица 3
Влияние зернистости периклаза обсыпки последующих слоев на свойства оболочковых форм
Наименование показателей
Зернистость периклаза для последующих слоев, мкм
250
280
300
1. Прочность керамических образцов, МПа:
- после вытопки моделей;
7,9
6,8
6,0
- после термообработки;
8,4
7,5
6,9
- остаточная (выбиваемость)
2,1
1,5
0,8
2. Газопроницаемость, ед.
2
4
6
3. Склонность к образованию трещин, м/м<sup>2</sup>
15
12
8
Пример 4. Изготовление оболочковых керамических форм на АБФК связующем осуществляли из суспензии состава, мас.%:
алюмоборфосфатный концентрат
18…25
вода
15…20
поливиниловый спирт
1…3
пылевидный огнеупорный наполнитель
остальное
При этом обсыпку лицевого слоя суспензии осуществляют периклазом, а каждого последующего слоя суспензии - смесью периклаза и керамзита, варьируя соотношение между ними по объему 2:1; 3:1; 4:1. Средний размер частиц периклаза для обсыпки лицевого составлял 180 мкм, для последующих слоев - 280 мкм, а зернистость керамзита была в пределах 400…500 мкм. Влияние соотношения между периклазом и керамзитом на свойства получаемых оболочковых керамических форм приведено в табл.4.
Таблица 4
Влияние соотношения периклаза и керамзита на свойства оболочковых форм
Наименование показателей
Соотношение между периклазом и керамзитом по объему
2:1
3:1
4:1
1. Продолжительность отверждения слоя суспензии, мин
25
18
14
2. Прочность керамических образцов, МПа:
- после вытопки моделей;
8,2
6,9
6,3
- после термообработки;
8,9
7,8
6,7
- остаточная (выбиваемость)
2,1
1,8
1,6
3. Газопроницаемость, ед.
9
7
3
4. Склонность к образованию трещин, м/м<sup>2</sup>
2
12
13
Пример 5. Изготовление оболочковых керамических форм осуществляли аналогично примеру 4, соблюдая соотношение между периклазом и керамзитом 3:1 по объему. При этом обсыпку проводили в электрическом поле, варьируя его напряженность 1500, 1800, 2000 В/м. Для этого установка кипящего слоя подсоединялась к источнику тока, а частицы обсыпки, находящиеся в псевдоожиженном состоянии, подвергались электрофизической активации. Влияние напряженности электрического поля для обработки обсыпки на свойства керамических форм представлено в табл.5. Аналогичные результаты ускорения формообразования и повышения прочности керамических образцов получены и при способе изготовления форм по первому варианту решения поставленной технической задачи.
Таблица 5
Влияние напряженности электрического поля на свойства оболочковых форм
Наименование показателей
Напряженность электрического поля при обработке обсыпки, В/м
1500
1800
2000
1. Продолжительность отверждения слоя суспензии, мин
14
12
10
2. Прочность керамических образцов, МПа:
- после вытопки моделей;
9,2
9,6
9,8
- после термообработки;
9,7
9,9
10,4
- остаточная (выбиваемость)
1,8
1,9
1,9
3. Склонность к образованию трещин, м/м<sup>2</sup>
1…2
Таким образом, заявленное изобретение решает важнейшую проблему в области специальных способов литья по полной замене дорогостоящего экологически вредного ЭТС, требующего в большинстве случаев проведения длительной операции гидролиза с применением огнеопасного этилового спирта. Разработанный способ позволяет изготавливать качественные керамические формы на дешевом и безопасном АБФК связующем, причем с физико-механическими свойствами не уступающими этилсиликатным формам, а по выбиваемости, газопроницаемости, продолжительности формообразования существенно их превышающими. По сравнению с известными способами изготовления керамических форм на АБФК заявленное изобретение позволяет, по сути, сделать эти формы действительно эффективной альтернативой этилсиликатным формам (по живучести, прочности форм, шероховатости поверхности получаемых отливок и др.).
Учитывая повышенные технологические свойства керамических форм на АБФК, изготавливаемых по заявленному изобретению, они могут быть с успехом применены практически в любых отечественных и зарубежных цехах ЛВМ.