Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ (ВАРИАНТЫ)

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.%:

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.%:

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.%:

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.

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.

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.

Пример 4. Изготовление оболочковых керамических форм на АБФК связующем осуществляли из суспензии состава, мас.%:

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.

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.

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.